Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1 Магнитоимпеданс 9
1.2 Нелинейный магнитоимпеданс : 12
1.3 Методы наблюдения доменных структур 15 *
1.4 Методы изготовления МИ-образцов 21
1.5 Доменная структура 31
1.6 Актуальность основных направлений, исследуемых в диссертации 32
Глава 2. Исследование микромагнитной структуры микропроводов 34
2.1 Метод исследования микромагнитной структуры 34
2.2 Описание установки. 39
2.3 Результаты исследования микромагнитной структуры и обсуждение 41
2.4 Исследования динамики доменных границ 48
Глава 3. Нелинейный недиагональный магнитоимеданс 59
3.1 Нелинейный недиагональный магнитоимпеданс в пленочных структурах. 59
3.2 Исследования нелинейного магнитоимпеданса в микропроводе 67
3.3 Результаты эксперимента по исследованию нелинейного магнитоимпеданса при возбуждении полем катушки . 70
Глава 4. Взаимодействие электромагнитных полей в магнитомягких проводниках 78
4.1 Образцы и методика эксперимента 78
4.2 Результаты эксперимента и их обсуждение 79
Глава 5. Магнитоимпеданс под воздействием температуры и внешних механических напряжений 91
5.1 Методика эксперимента 91
5.2 Результаты и обсуждение 97
Заключение 102
Список литературы 105
- Нелинейный магнитоимпеданс
- Результаты исследования микромагнитной структуры и обсуждение
- Исследования нелинейного магнитоимпеданса в микропроводе
- Результаты эксперимента по исследованию нелинейного магнитоимпеданса при возбуждении полем катушки
Введение к работе
Интерес к магнитомягким аморфным материалам связан с их необычными физическими свойствами и широкими перспективами применений в различных технических приложениях. Этот интерес возрос в последнее десятилетие после обнаружения в таких проволоках эффекта гигантского магнитоимпеданса (ГМИ) [1, 2, 3, 4, 5 ,6, 7, 8, 9, 10]. Эффект ГМИ заключается в сильном изменении комплексного сопротивления проводника (более 100%/Э) в слабом внешнем магнитном поле. Эффект ГМИ имеет классическую природу и может быть описан в рамках представления об изменении глубины скин-слоя при изменении внешнего магнитного поля. Очевидно, что эффект ГМИ выше в магнитомягких материалах, в которых микромагнитная структура является весьма чувствительной к магнитному полю. Фактически, открытие ГМИ тесно связано с созданием чрезвычайно магнитомягких анизотропных материалов. Как известно, магнитная анизотропия ферромагнитного материала определяется кристаллографической анизотропией и магнитоупругими взаимодействиями. Так, большой эффект ГМИ должен наблюдаться в материалах, имеющих малую кристаллографическую константу анизотропии Кх и малую константу магнитострикции уЦ [11]. Так как величина эффекта существенно зависит от микромагнитной структуры образца, для повышения чувствительности ГМИ к внешнему магнитному полю необходим детальный анализ доменных структур в магнитомягких образцах.
Как правило, эффект ГМИ измеряется как изменение напряжения на концах образца в присутствие внешнего магнитного поля. Кроме того, зависящий от поля сигнал напряжения может измеряться катушкой, намотанной на магнитомягкий образец. Природу появления сигнала в катушке можно объяснить следующим образом. Внешнее магнитное поле вызывает прецессию вектора намагниченности в проводнике, что приводит к возникновению переменного потока вектора магнитной индукции. Согласно закону Фарадея, электродвижущая сила возникает при этом, как на концах проводника (традиционный эффект ГМИ), так и в направлении образующей проводника. Циркулярный ток индуцирует ЭДС на концах катушки, намотанной на проводник [12]. Другими словами, магнитоимпеданс является тензором с диагональными и недиагональными компонентами. Изменение во внешнем поле диагональных компонент импеданса вызывает ЭДС на концах проводника, в то время как изменение недиагональных компонент приводит к изменению сигнала на концах измерительной катушки. Для краткости мы будем называть диагональным магнитоимпедансом традиционный магнитоимпеданс (МИ), а недиагональным магнитоимпедансом (НДМИ) называть ЭДС на концах измерительной катушки, вызванное изменение недиагональных компонент тензора МИ. Отметим, что во многих случаях для приложений использование НДМИ может быть более удобным.
Эффект ГМИ исследуется обычно при малых амплитудах переменного тока, пропускаемого через образец, когда напряжение не концах образца или в измерительной катушке, намотанной на образец, пропорционально импедансу образца. В последнее время большое внимание вызывают также исследования частотного спектра сигнала напряжения при пропускании через проволоку токов большой амплитуды, когда связь между намагниченностью и амплитудой тока становится нелинейной [13, 14, 15, 16, 17]. Этот нелинейный отклик, чувствительный к внешнему магнитному полю, часто называют нелинейным магнитоимпедансом. При этом в широкой области параметров чувствительность высших гармоник в частотном спектре напряжения к внешнему постоянному магнитному полю оказывается существенно больше чувствительности эффекта ГМИ. Вместе с тем, до настоящего времени нелинейный магнитоимпеданс в пленочных структурах и проволоках не был изучен достаточно подробно.
Целью данной диссертационной работы являлось исследование микромагнитной структуры, ГМИ и высокочастотных нелинейных эффектов в магнитомягких проводниках. Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
Разработка методики исследования приповерхностной доменной структуры магнитомягких проволок с циркулярной магнитной анизотропией.
Получение экспериментальных зависимостей амплитуд гармоник напряжения от частоты и внешнего магнитного поля при перемагничивании магнитомягких образцов высокочастотным полем большой амплитуды.
3. Создание методики измерений температурной зависимостей эффекта ГМИ в аморфных проволоках и исследование температурной зависимости ГМИ в аморфных проволоках.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработан метод исследования доменной структуры аморфных и композитных проволок с циркулярной анизотропией, основанный на эффекте недиагонального магнитоимпеданса. Продемонстрировано, что основным состоянием таких проволок является однодоменное состояние.
2. Проведены систематические экспериментальные исследования высокочастотных нелинейных процессов в магнитомягких аморфных и нанокристаллических проводниках.
3. Впервые обнаружены комбинационные гармоники с большой амплитудой в частотном спектре напряжения, снимаемого с магнитомягкого проводника, при перемагничивании переменным током. Показано, что амплитуды гармоник обладают высокой чувствительностью к магнитному полю.
4. Обнаружено необратимое изменение импеданса аморфных проволок при нагреве до температуры, превышающей 90-100 С.
Полученные в диссертации результаты развивают существующие представления о микромагнитной структуре и высокочастотных процессах, происходящих в магнитомягких ферромагнитных материалах. Результаты диссертации могут быть использованы для разработки высокочувствительных датчиков магнитного поля, а также для улучшения электрофизических параметров магнитомягких материалов.
1. На основе оригинальной методики исследована микромагнитная структура аморфных микропроводов различной композиции и состава. Показано, что, как правило, доменные границы возникают вблизи дефекта. Экспериментально доказано, что основным стабильным состоянием провода с циркулярной анизотропией является однодоменная структура.
Разработан метод исследования и изучена динамика микромагнитной структуры в аморфных микропроводах при перемагничивании полем прямоугольного импульса тока. Показано, что перемагничивание происходит вследствие движения доменных границ, число которых и место зарождения зависит от параметров провода и амплитудно-временных параметров тока.
Исследован нелинейный недиагональный магнитоимпеданс аморфных микропроволок и сэндвичей при перемагничивании полем высокочастотного тока, протекающего через проводник, а также высокочастотным полем катушки, окружающей проводник. Продемонстрирована высокая чувствительность амплитуды сигналов в катушке и на концах проводника к магнитному полю. Показано, что с помощью тонкой пленочной структуры (сэндвича) возможно одновременное измерение как продольного, так и поперечного магнитного поля на основе анализа первой и второй гармоник сигнала в катушке.
Исследованы комбинационные гармоники в спектре частот напряжения, снимаемого с магнитомягкого микропровода. Обнаружено аномальное усиление комбинационной гармоники при переходе от линейного к нелинейному возбуждению микропроволоки.
5. Исследовано влияние температуры и механических напряжений на импеданс микропроволок. Показано, что в микропроволоке происходят необратимые изменения при превышении температуры порядка 90-100 градусов Цельсия.
Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:
1. На основе оригинальной методики исследована микромагнитная структура аморфных проволок различной композиции и состава. Показано, что основным стабильным состоянием проволоки с циркулярной анизотропией является однодоменная структура.
Разработан метод исследования и изучена динамика микромагнитной структуры в аморфных микропроводах при перемагничивании полем прямоугольного импульса тока. Показано, что перемагничивание происходит вследствие движения доменных границ, число которых и место зарождения зависит от параметров провода и амплитудно-временных параметров тока.
Исследован нелинейный недиагональный магнитоимпеданс аморфных микропроволок и пленочных структур при перемагничивании полем высокочастотного тока, протекающего через проводник, а также высокочастотным полем катушки, окружающей проводник. Продемонстрирована высокая чувствительность измеряемого напряжения к внешнему магнитному полю. Показано, что для пленочных структур использование эффекта нелинейного магнитоимпеданса позволяет измерять одновременно две компоненты магнитного поля,
4. Обнаружено аномальное усиление комбинационных гармоник в частотном спектре напряжения, снимаемого с магнитомягкого проводника, при переходе от линейного к нелинейному возбуждению образца.
5. Показано, что при нагреве аморфной проволоки свыше температуры порядка 90-100С в образце происходят необратимые изменения, и эффект ГМИ уменьшается необратимым образом.
Результаты работы были представлены на следующих конференциях: European Magnetic Materials and Applications Conference (Kiev, 2000), "Ломоносовские чтения" (Москва, 2001), International Workshop on Magnetic Wires (San Sebastian, 2001), зимняя школа по физике "Коуровка - 2002", Moscow
International Symposium on Magnetism (Moscow, 2002), European Magnetic Sensors and Actuators Conference (Athens, 2002), International Conference on Magnetism (Roma, 2003), International Baikal Scientific Conference «Magnetic Materials» (Irkutsk, 2003).
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ в реферируемых журналах.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе диссертации представлен обзор литературы, посвященной экспериментальным исследованиям и теоретическим моделям эффекта ГМИ в аморфных и нанокристаллических проволоках, лентах и пленочных структурах. Проанализированы основные работы по магнитной структуре магнитомягких ферромагнетиков. Рассмотрены также работы, посвященные новым высокочастотным нелинейным эффектам в материалах, проявляющих ГМИ.
Вторая глава посвящена описанию экспериментального исследования микромагнитной структуры микропроводов и обсуждению полученных результатов.
В третьей главе обсуждается новые экспериментальные результаты, полученные при исследовании нелинейного недиагонального магнитоимпеданса.
В четвертой главе описывается впервые обнаруженный эффект усиления комбинационной гармоники в спектре сигнала в измерительной катушке, " окружающей магнитомягкий проводник,
Пятая глава посвящена исследованию влияния температуры и механических напряжений на магнитоимпеданс микропроводов.
Нелинейный магнитоимпеданс
В последнее время активно исследуется так называемый нелинейный магнитоимпеданс, см, например [41, 28, 29]. В этом случае через образец пропускают ток большой величины, при этом на концах проводника и в катушке, окружающей проводник возникает спектр переменного напряжения с гармониками более высокого порядка.
Так в работе [29] изучался композитный микропровод с основанием из лемапіитного CuBe, диаметром ЮОмкм и электролитически осажденным FeCoNi магнитным слоем в 1мкм. На провод подавался ток разной величины с частотой 1.5МГц. С концов микропровода измерялся сигнал напряжения. Было показано, что при большом значении переменного тока, в спектре измеряемого сигнала, кроме первой, возникают гармоники более высокого порядка. В этом случае происходит двойное перемагничивании образца в каждом цикле тока. На рисунке 1.1 показаны измерения МИ в линейном и нелинейном режимах. Из графика (а) видно, что в линейном режиме максимальное значение МИ составляет около 180%, а в нелинейном достигает 800%.
В статье [31] исследовался ННДМИ в аморфном микропроводе диаметром 30 мкм на основе кобальта. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.3. На микропровод от генератора подается переменный ток. Вокруг микропровода намотана катушка, с нее сигнал подается на анализатор спектра. Внешнее постоянное магнитное поля вдоль микропровода создавалось соленоидом. Измерения проводились при амплитуде переменного тока от +0 до 150мА, Значение внешнего поля менялось от -10 Э до 10 Э. На рис 1.4 представлены зависимости амплитуды четных и нечетных гармоник в зависимости от амплитуды тока. Измерения проводились при постоянном магнитном поле 0.3 Э и частотой переменного поля ЮОкГц. В статье показано, что при небольшой амплитуде переменного тока через микропроволоку в спектре доминирует преимущественно первая гармоника, что соответствует линейному режиму. При некотором пороговом значении переменного тока амплитуды сигналы нечетных гармоник резко уменьшаются. Начинает доминировать вторая гармоника. Это уже соответствует нелинейному режиму, в котором микропровод за один цикл переменного поля успевает 2 раза перемагнититься. Если и дальше повышать ток через микропровод, то при некотором значении максимальной будет четвертая гармоника.
В начале XX века Опыты Сикстуса и Тонкса [32] наглядно подтвердили идею Лангмюра о существовании процессов смещения граничных слоев между ферромагнитными доменами. В работе Френкеля и Дорфмана [33] впервые были оценены равновесные размеры однодоменных частиц ферромагнетиков. Знаменитая работа Ландау и Лифшица (1935) [34] дала окончательное теоретическое обоснование теории Вейсса о доменах, и в ней так же бьша предложена конкретная модель доменной структуры, которая была потом обнаружена экспериментально с помощью визуального наблюдения выхода доменной структуры на поверхность ферромагнитного кристалла методом порошковых осадков, предложенным Биттером [35] и Акуловым и Дехтяром [36] .Этот метод затем усовершенствовали Эльмор [37], Вильяме, Бозорт и Шокли [38]. А позже к нему добавились также магнитооптические и электроннооптические методы.
Основными опытными доказательствами существования доменов является: 1) скачкообразный характер кривых намагничивания в области слабых полей (вблизи наиболее крутого подъема кривой), так называемый эффект Баркгаузена и 2) непосредственное определение неоднородности распределения намагниченности на поверхности и внутри ферромагнитного кристалла. Эффект Баркгаузена. Как показали детальные исследования, кривые намагничивания ферромагнетика имеют ступенчатый характер (рис, 1.6 [39]).Вертикальные участки кривой соответствуют скачкообразному изменению намагниченности, которое происходит при постоянном внешнем магнитном поле из-за быстрого изменения ориентации намагниченности в части отдельных доменов, намагниченных первоначально не в направлении внешнего магнитного поля. Этот эффект открыл Баркгаузен [40]. Изучать скачки можно с помощью осциллографа и определять при этом средний объем области, перемагничивающейся за один скачок [41, 42,43, 44,45]. Визуальное наблюдение доменной структуры. Для теории магнитной доменной структуры ферромагнетиков, наряду с изучением эффекта Баркгаузена, большое значение приобретают разнообразные методы непосредственного наблюдения этой структуры при различных внешних условиях. В настоящее время известно несколько таких методов. Конечной целью всех их является определение топографии пространственного распределения намагниченности в ферромагнитном образце.
Большинство известных методов визуального наблюдения доменной структур основаны на том факте, что в ферромагнетике практически всегда существуют магнитные поля рассеяния, возникающие из-за несовершенства в замкнутости локальных магнитных потоков доменной структуры. Эти поля очень неоднородны и их максимум находится в местах «стыков» доменов друг с другом и с замыкающими областями вблизи поверхностей разрывов и других дефектов, а так же на наружной поверхности образца. Определив с помощью какого-либо индикатора эти места, можно наглядно «окантовать» отдельные домены и замыкающие области и получить всю картину доменной структуры. Различные методы ее определения сводятся к различному выбору индикаторов, определяющих либо ориентации магнитного поля внутри областей, либо неоднородные поля рассеяния. Так же известно, что магнитное поле оказывает пондеромоторное действие на магнитный момент магнетика или на движущийся электрический заряд, а также может взаимодействовать с внешним электромагнитным полем (например, световым или радиочастотным). Эти взаимодействия и лежат в основе большинства существующих экспериментальных методов определения магнитной доменной структуры.
Метод порошковых фигур. Этот метод достаточно хорошо разработан и нашел уже широкое применение. Исторически, первая работа, в которой он был применен, принадлежит Гамосу и Тиссену [46]. Однако фактически первое наблюдение доменной структуры произвели Акулов и Дехтяр [36], которые показали, что мелкий ферромагнитный порошок (например, магнетит), взвешенный в жидкости, при оседании на хорошо отполированную поверхность ферромагнитных кристаллов образует характерные фигуры (полосы), по которым можно судить о границах магнитных доменов в образце.
Результаты исследования микромагнитной структуры и обсуждение
На левом верхнем графике измерения проводились без постоянного тока в проводнике. Видно, что состояние провода однодоменное. Действительно, об этом свидетельствует значение фазы сигнала с катушки, которое не меняет знак на всей длине провода. На двух нижних графиках показаны измерения при двух разных значений постоянного тока в микропроводе. В этом случае состояние образца тоже однодоменное. Видно, что при изменении знака тока, фаза меняет значение примерно на 180 градусов, что соответствует противоположному направлению намагниченности циркулярного домена. Для наглядности в проводе была искусственно создана доменная граница, которая видна на нравом верхнем графике. Это возможно сделать путем нескольких попыток кратковременного пропускания постоянного тока в проводе величины около 0.5 мА. Однако такое состояние является нестабильным и может самопроизвольно разрушиться в течение небольшого времени. Так же из графиков видно, что на микропроводе в районе 2.7 см имеется дефект.
Зависимость амплитуды и фазы сигнала от положения измерительной катушки, при различных значениях постоянного тока. На рис. 2.6 приведены результаты измерения амплитуды и фазы сигнала в измерительной катушке для провода UNITICA. Измерения сделаны при разных значениях постоянного тока в проводе. Интересно отметить, что, если не считать небольших особенностей вблизи концов провода, фаза сигнала постоянна вдоль провода, а амплитуда имеет максимум вблизи центра и значительно спадает к концам. Скорее всего, это свидетельствует о наличии концевого эффекта, который был предсказан в работе [94]. Здесь происходит разворот намагниченности с плавным переходом в продольно намагниченный керн.
Диаметр проволоки составлял ЮОмкм, а толщина пермаллоевой оболочки равнялась ЗЗмкм. Этот микропровод имеет неупорядоченную микромагнитную структуру, однако в поле тока он ее приобретает, о чем свидетельствует значение фазы около 90 при максимально приложенном токе 5 мА. Тем не менее, при малых токах отслеживается некоторое проявление анизотропии, которое приводит, как к появлению заметной амплитуды сигнала с катушки, так и к некоторому распределению фазы вдоль проводника. При смене направления тока насыщение фазы происходит при больших значениях тока. Такая несимметрия кривой перемагничивапия связана с наличием продольного подмагничивающего поля (поле Земли и окружающей магнитной обстановки), которое накладывается на случайное распределение полей анизотропии.
Таким образом, результаты измерения различных типов миропроводов показали высокую чувствительность метода к распределению намагниченности в скин-слое, который по оценкам для выбранной частоты 1 МГц составляет не более десятка микрон. Следует отметить, что пространственное разрешение метода не более 1 мм, что связано с размером измерительной катушки. Зависимость амплитуды и фазы от положения измерительной катушки при отрицательном постоянном токе Приведенные результаты для провода в стеклянной оболочке принципиально отличаются от полученных в [52] магнитооптическим методом. В самом деле, наши эксперименты показали однодоменную структуру в скин-слое, который по оценкам для частоты тока в проводнике один мегагерц составлял несколько микрометров. Магнитооптика визуально (с помощью микроскопа) и со сканированием вдоль провода показывает «бамбуковую» доменную структуру.
В работе [95] был проведен теоретический анализ механизмов, способных привести к образованию чередующихся вдоль оси провода доменов. В этой работе указывается, впрочем, что в достаточно длинном, аксиально симметричном аморфном проводе с отрицательным значением константы магнитострикции, плотность объемных и поверхностных магнитных зарядов равна нулю. Следовательно, магнитостатическая энергия провода также равна нулю, и причина для образования какой либо структуры вдоль провода отсутствует. Тем не менее, относясь к «бамбуковости» структуры как к экспериментальному факту, в работе [95] сделаны предположения, которые смогли бы ее объяснить. Эти предположения сводятся к возможному наличию поверхностных зарядов из-за несовершенства провода, например эллиптичности в сечении, либо отклонения от осесимметричности в распределении осей анизотропии. В этих случаях, периодическая доменная структура с шагом порядка радиуса проводника может существовать, если константа поверхностной анизотропии превышает константу объемной более чем на три порядка. Если учесть, что период структуры весьма чувствителен к параметрам указанных неоднородностей провода, то факт существования стабильной структуры, коррелированной с радиусом провода вызывает некоторые сомнения. Конечно, в отсутствие экспериментальных данных нельзя исключить возможность существования на поверхности провода слоя с достаточно большим значением константы анизотропии. Кроме того, доменная структура в проводе может существовать как метастабильное образование. Известно, например, что в магнитомягких ферромагнетиках энергия некоторых метастабильных состояний может быть близкой к энергии основного состояния. Например, в прямоугольных пермаллоевых пластинках простая структура типа Ландау-Лифшица часто имеет наинизшую удельную энергию; при этом экспериментально наблюдается также более сложная доменная структура [96], имеющая заведомо большую удельную энергию. Действительно, в начале этого параграфа описан эксперимент, когда нестабильная система искусственно создавалась различными способами, которая впрочем, легко исчезала при действии на нее слабых внешних факторов, например, слабым импульсом тока через проводник, либо внешним импульсным полем.
Наконец, отметим, что магнитооптические измерения делаются в поверхностном слое толщиной не более нескольких сотен ангстрем. В этом слое из-за высокой анизотропии насыщение происходит при полях 20 - 30 Э, Поэтому магнитная проницаемость слоя низка, и, при проведении магнитоимпедансных измерений вклад его в традиционный импеданс исчезающее мал, а в недиагональный вовсе равен нулю, так как вклад соседних доменов в недиагональные компоненты тензора импеданса происходит со сдвигом по фазе на 180.
Как было показано в работе [97], в случае аморфного провода на основе Со с отрицательным значением константы магнитострикции, совокупность экспериментальных данных может быть удовлетворительно объяснена, если предположить, что вблизи центра провода имеется кор, однородно намагниченный вдоль оси провода, а во внешней оболочке намагниченность направлена азимутально. В отсутствие внешнего магнитного поля распределение намагниченности в аморфном проводе представляет собой 90 доменную границу, толщина которой составляет десятые доли радиуса провода. Для положительного значения амплитуды внешнего магнитного поля, когда его направление совпадает с направлением намагниченности внутреннего кора, область кора постепенно увеличивается при увеличении амплитуды поля. В верхних слоях проводника это проявляется как поворот вектора намагниченности с соответствующим изменением импедансной характеристики. Введение дополнительной доменной структуры на поверхности потребует введения дополнительной 90 доменной стенки, разделяющей внутреннёюю структуру и поверхностную.
Исследования нелинейного магнитоимпеданса в микропроводе
В первом случае изучался спектр гармоник в катушке индуктивности, во втором - на концах проводника. Катушка индуктивности для создания однородного поля в объеме ячейки позволяла создавать максимальное поле в объеме ячейки 36 Э при токе 100 мА. Сигнальная катушка диаметром 3.8 мм и длиной 6.6 мм, имела 240 витков. Исследуемьш образец микропровода припаивался к выводам на подложке и имел характерные размеры 30 мкм в диаметре и 6.6 мм длины.
Система управления на базе персонального компьютера управляет процессом измерений и получает данные в удобном для обработки виде. В качестве задающих параметров были: частота, амплитуда вч тока, диапазон поля, шаг измерений. Измерялись амплитуды восьми гармоник (четные и нечетные) в диапазоне полей +- 5Э.
В генератор ГЗ-122 выдаются нужная частота и ток. Устанавливается минимальное внешнее поле (Hmm). Далее проводятся измерения. HP устанавливает так называемые маркеры на пики (это основная частота и ее гармоники; до восьми маркеров, см. рис. 3.8) и измеряет величину сигнала для каждого маркера, после чего передает данные в компьютер, который их запоминает. Следующим шагом меняется внешнее поле на заданное значение (АН), и опять измеряют величину сигнала для каждого маркера. И т.д. до максимального поля (Нтах).
Установка создана на базе анализатора спектра фирмы Hewlett-Packard НР4395А. Она позволяет измерять спектр на частотах от 0 Hz до 500MHz. НР4395А представляет собой полностью автоматическую измерительную систему и с дополнительной платой (мощный ЦАП) и не нуждается в дополнительных устройствах для проведения измерений. В процессе измерений оператор может наблюдать за ходом эксперимента непосредственно на LCD мониторе, встроенном в HP, а по окончании измерений запоминать измерения на floppy-dick 3.5" в DOS формате. Прибор позволяет проводить широкий спектр измерений, в процессе которых автоматически анализируются получаемые данные по специальным программам (как встроенным, так и внешним). В своем составе прибор имеет специализированный язык программирования (I-Basic), при помощи которого можно управлять работой прибора и программировать его работу. Прибор может быть подключен к стандартному интерфейсу ШЕЕ 488.1(1ЕЕЕ 488.2), или к IEC625, JIS С 1901-1987. Через этот интерфейс можно объединять множество различных приборов, В данном эксперименте к интерфейсу подключен компьютер через плату расширения (GPIB-card специальная плата, реализующая IEEE 488.1/2 интерфейс). Компьютер является "hosf oM в этой сети и управляет работой HP через команды I-Basic. При выполнении работы написана программа на Borland С Builder 5.0 (см. приложение 1), которая позволяет достаточно просто управлять экспериментом. Подключение компьютера и написание специальной программы обусловлено желанием упростить измерения и необходимостью наблюдать за результатом в процессе измерения. Программа так же позволяет обрабатывать результаты и сохранять их в удобном для дальнейшего использования виде. Управление полем осуществляется при помощи специальной опции HP, позволяющей управлять источником постоянного тока (50V, 100mA, изменения с частотой 1 Hz), к которому подключается соленоид.
В данном параграфе представлены результаты исследования модифицированного нелинейного магнитоимпеданса, в котором возбуждение осуществляется переменным полем катушки индуктивности, намотанной на МИ-образец, а спектр сигнала регистрируется с концов проводника. Такое возбуждение характерно для феррозондов, однако, в них стараются использовать продольно намагниченную структуру с прямоугольной петлей гистерезиса.
Эксперименты были выполнены на аморфных проводах Co6sFe4 5SiisBi2 5 диаметром D = 3 0 [їм и длиной 1=6.6 мм. Микропровод помещался в переменное магнитное поле Н с которое создавалось соленоидом, ориентированным вдоль оси провода. Амплитуда поля Но менялась от 0.2 до 250е, его частота / составляла от 0.5 до 2МГц. Измерения проводились в присутствии продольного магнитного поля Нос, которое менялось от -А до 4Э. Спектр гармоник напряжения измерялся спектроанализаторм НР4395А.
В малых переменных полях Щ в спектре доминирует первая гармоника, тогда как остальные гармоники пренебрежимо малы. В этом случае отклик напряжения связан с недиагональной компонентой магнитоимпеданса [106]. С ростом Но увеличиваются амплитуды высших гармоник. Измеренные зависимости амплитуд F (где к- номер гармоники) от Нрс показаны на рис. 3.9 для различных Но. Обращает на себя внимание, что кривые V HDC) не имеют гистерезиса и слабо зависят от знака внешнего поля Нос Поведение амплитуд четных и нечетных гармоник значительно отличается.
В нулевом поле четные гармоники имеют минимальные значения, тогда как нечетные имеют максимумы. В не слишком высоких переменных полях Но все гармоники имеют дополнительные пики в ненулевом внешнем поле. Значения поля Нос, в котором наблюдаются пики, линейно растут с Щ. (см. рис. ЗЛО). При высоких Но амплитуды гармоник имеют один порядок величины и имеют чувствительность к полю порядка 5mV/3.
Результаты эксперимента по исследованию нелинейного магнитоимпеданса при возбуждении полем катушки
В случае поперечного направления внешнего магнитного поля несколько первых гармоник в частотном спектре напряжения оказываются чувствительны к магнитному полю, однако четные гармоники имеют более высокую чувствительность, В случае продольного направления внешнего магнитного поля нечетные гармоники слабо зависят от величины магнитного поля, а четные гармоники являются высокочувствительными к величине продольного магнитного поля. Для обеих ориентации магнитного поля амплитуда второй гармоники имеет чувствительность к внешнему магнитному полю порядка 1мВ/Э при частоте переменного тока 1МГц, Это значение совпадает по порядку величины с чувствительностью, полученной при исследовании эффекта гигантского магнитоимпеданса в пленочных структурах [105, 106, 107], и может быть увеличено при оптимизации геометрии сэндвича и при использовании более высокой амплитуды и частоты переменного тока, пропускаемого через сэндвич. Так как исследованный эффект чувствителен как к продольному, так и поперечному магнитному полю, он может быть использован для разработки двухкомпонентных датчиков слабого магнитного поля. Отметим, что две компоненты поля могут быть получены анализом сигнала с одного измерительного канала - катушки индуктивности, окружающей сэндвич.
Во второй части главы изучен процесс перемагничивания в аморфных микропроводах на основе кобальта продольным переменным магнитным полем. Для достаточно высокой амплитуды переменного поля, несколько гармоник напряжения на концах провода имеют высокие амплитуды. Высокая чувствительность гармоник к магнитному полю и отсутствие гистерезиса позволяют использовать данный нелинейный эффект в разработке чувствительных магнитных датчиков.
В настоящей главе исследуется влияния слабого переменного внешнего магнитного поля на частотный спектр напряжения, возникающего в измерительной катушке, намотанной вокруг магнитомягкого проводника, по которому протекает переметши ток. В основном нас интересовал режим, являющийся пограничным между линейным (малые амплитуды тока через проводник) и существенно нелинейным, когда происходит полное перемагничивание образца в каждом цикле тока. Измерялись зависимости напряжения в катушке от амплитуды переменного тока и постоянного внешнего магнитного поля. Экспериментальные исследования проводились на магнитомягких образцах трех типов. В продольном магнитном поле образцы имели узкую петлю гистерезиса с формой, близкой к прямоугольной. Первый тип образцов представлял собой композитные проволоки, состоявшие из ниобиевой сердцевины и пермаллоевой оболочки. Проволоки были изготовлены в ЦНИИ Чермет путем многократной протяжки через фильеры композитного стержня Nb/Ni82Felg исходного диаметра 1см с последующим отжигом в вакууме в течение Ічаса при температуре 750С [100,108]. Диаметр полученных проволок составлял ЮОмкм, а толщина пермаллоевой оболочки равнялась ЗЗмкм. Намагниченность насыщения композитных проволок Nb/Nig2Fels составляла примерно 800Гс, а коэрцитивная сила не превышала 1Э [100]. Вторым типом образцов являлись неотожженные аморфные ленты состава Co6gCr3Fe2Si15B12, полученные методом быстрой закалки расплава в воздухе. Ленты имели ширину 0.5мм и толщину ЗОмкм, намагниченность насыщения составляла бООГс, коэрцитивная сила образцов лежала в диапазоне 1,5-ЗЭ. Измерения также проводились на аморфных проволоках того же состава, полученных модифицированным методом вытягивания из расплава [109,110, 42]. Проволоки диаметра 65мкм отжигались на воздухе при температуре 450С, время отжига составляло 1час. После отжига коэрцитивная сила уменьшалась и для исследованных проволок не превышала 0.2Э [42]. Все исследованные образцы имели длину 15мм.
По образцам пропускался переменный ток с амплитудой /0 от 0.01 до 900мА, частота тока f0 изменялась от ЮОкГц до 1Мгц. Так как результаты, полученные на всех частотах качественно подобны, то в данной работе приведены данные для частоты fQ=575кГц. Исследуемый образец помещался в систему трех коаксиальных катушек. Самая большая катушка, имевшая диаметр 7.2мм и 320 витков, создавала постоянное продольное магнитное поле #DC. Величина этого поля изменялась от -7.5 до 7.5Э. Средняя катушка диаметром 7мм с 320 витками создавала переменное магнитное поле амплитудой #АС. Частота переменного магнитного поля /, могла варьироваться от сотен кГц до нескольких МГц. Для примера приведены данные, полученные для частоты /1=1 МГц. Измерительная катушка, имевшая наименьший диаметр 4мм и 450 витков, подсоединялась к анализатору спектра НР4395А. Система катушек помещалась в магнитный экран.
Похожие диссертации на Исследование нелинейных процессов в магнитомягком проводнике при высокочастотном перемагничивании
