Магнитометр

(5 Ц ЕТЕНИЯ Е ИЗО ОПИ К АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛ ЬСТВУ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР(71) Симферопольский государственный университет им. М.В.фрунзе(57) Изобретение относится к магнитоизмерительнойтехнике и предназначено для измерения характеристик ферромагнетиков. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений, Магнитометр содержит электромагнит 1 с источником тока 5, преобразовательь Холла 3 и образец 2, размещенные в зазоре электромагнита, оптически связанные с образцом через полупрозрачное зеркало 13 поляризатор 11, источник излучения 10, анализатор 15 и фотоприемник 16, подключенный к блоку регистрации, Для достижения цели образец 2 закреплен на кристалле-датчике магнитного момента 24, электроды которого подключены к электрометрическому усилителю 25. Электромагнит 1 установлен на вращающейся платформе 6, снабженной устройством управления 8 и датчиком угла поворота 9, В зондирующий и измерительный световые каналы введены соответственно компенсатор 12 и модулятор 14, Блок регистрации включает последовательно соединенные синхронный детектор 17 и источник 19 тока1580298 10 компенсатора, К обмотке модулятора 14 и опорному входу синхронного детектора 17 подключен генератор переменного тока 18, к обмотке компенсатора - источник тока 19 и опорный резистор 20. С ЭВМ 21 соединеИзобретение относится к магнитоиэмерительной технике и предназначено для измерения характеристик различных классов ферромагнетиков, приготовленных в виде тонких пленок, фольг и пластин,Целью изобретения является расширение функциональных возможностей магнитооптического магнитометра и повышение точности измерения поверхностных и обьемных магнитных характеристик образцов,На фиг,1 представлена структурная схема магнитометра; на фиг.2 - кварцевый кристалл-датчик крутящего момента,Магнитометр содержит электромагнит 1 с размещенными в его зазоре образцом 2 и преобразователем 3 Холла. Выход преобразователя 3 Холла подключен к входу усилителя 4, Обмотка электромагнита подключена к источнику 5 тока электромагнита, Один из полюсов электромагнита имеет продольное осевое отверстие для прохождения луча света. Электромагнит 1 установлен на вращающейся вокруг вертикальной оси платформе 6. Вращение платформы осуществляется с помощью электродвигателя 7; управляемого с помощью усройства 8. Угол поворота платформы измеряется датчиком 9. Источник 10 излучения оптически последовательно соединен через поляризатор 11, оптический компенсатор 12, полупрозрачное зеркало 13 и отверстие в полюсе электромагнита с образцом 2. Последний через полупрозрачное зеркало 13, оптический модулятор 14 и анализатор 15 оптически соединен с фотоприемником 16.С фотоприемником 16 электрически соединен синхронный детектор 17, к входу опорного сигнала которого подключен выход генератора 18 модуляционного тока, а выход соединен с управляемым источником 19 тока компенсатора, подключенным к обмотке соленоида компенсатора 12. Обмотка модулятора 14 соединена с генератором 18 переменного тока. К обмотке соленоида компенсатора подключен опорный резистор 20, общая точка резистора 20 и соленоида компенсатора 12, а также выходы усилителя 4, датчика 9, входы устройства 8 и источника 5 тока электромагнита подклю 15 20 25 30 35 40 45 50 ны выходы усилителя 4, опорного резистора 20, датчика 9, усилителя 25 и входы источника тока 5, устройства 8; графического дисплея 22 и двухкоординатного самописца 23.1 з.п,ф-лы, 2 ил. чены к ЭВМ 21, в состав которой входят графический дисплей 22 и двухкоординатный самописец 23.Устройство содержит также измерительную торсионную головку, содержащую кристалл-датчик 24 магнитного момента и электрометрический усилитель 25, На одном конце кристалла-датчика 24 неподвижно закреплен образец 2 так, что его плоскость перпендикулярна продольной оси отверстия в полюсе электромагнита. Второй конец кристалла-датчика 24 закреплен неподвижно. Электроды кристалла соединены попарно через один и подключены к входу электрометрического усилителя 25, выход которого подключен к ЭВМ 21,Кристалл-датчик магнитного момента (фиг.2) представляет собой пьезокристалл кварца, вырезанный в виде правильной восьмигранной призмы, Продольная ось кристалла направлена вдоль оси Х. На грани призмы, ориентированные под углами 45 к оси У, нанесены электроды. Электроды соединены попарно через один и подключены к входу электрометрического усилителя.Магнитометр работает следующим образом.Для измерения магнитных характеристик поверхностных слоев ферромагнетиков служит магнитооптическая часть установки, информация о свойствах образца получается при измерении магнитооптической петли гистерезиса с помощью полярного эффекта Керра, Для этого электромагнит 1, установленный на платформе б, с помощью двигателя 7, управляемого от ЭВМ 21 через устройство 8, устанавливается в начальное положение, при котором световой поток линейно поляризованного излучения от источника 10 излучения через оптические элементы 11 - 13 попадает в отверстие в полюсе электромагнита и на образец, а отразившись от образца, - обратно через отверстие и оптические элементы 13 - 15 на фотоприемник 16. На обмотку модулятора 14 подается модуляционный сигнал с генератора 18. В отсутствии перемагничивающего поля поляризатор 11 и анализатор 15 находятся в скрещенном положении - положении гашения. В этом по 1580298ложении аэимутальная модуляция плоскости поляризации излучения с помощью модулятора 14 приводит к появлению на фотоприемнике 16 сигнала удвоенной частоты модуляции. При намагничивании образца 2 происходит отклонение плоскости поляризации излучения от положения гашения. В спектре сигнала фотоприемника 16 появляется сигнал первой гармоники частоты модуляции, амплитуда которого пропорциональна углу 6 поворота плоскости поляризации излучения. Этот сигнал детектируется с помощью синхронного детектора 17, на вход опорного сигнала которого подается опорный сигнал с генератора 18. Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора 17 подается на управляемый и точник 19 тока компенсатора 12. Угол поворота плоскости поляризации излучения в рабочем теле компенсатора равен по величине и противоположен по знаку угла поворота за счет намагниченного образца. Таким образом, в системе автоматически устанавливается и поддерживается положение гашения. Напряжение, пропорциональное току компенсации, снимается с опорного резистора 20 и подается на вход ЭВМ 21. Ток компенсации при этом пропорционален углу 6 вращения плоскости поляризации, который в свою очередь пропорционален намагниченности насыщения образца, Коэффициент пропорциональности представляет собой постоянную компенсатора 12. Сигнал, пропорциональный значению напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита, с преобразователя 3 магнитного поля в электрический сигнал через усилитель 4 также подается на вход ЭВМ 21, Таким образом, ЭВМ 21 регистрирует зависимость угла 6 вращения плоскости поляризации излучения, обусловленного свойствами образца, от величины перемагничивающего поля Н, т.е. магнитооптическую петлю гистерезиса. Обсчет петли на ЗВМ позволяет определить такие характеристики поверхностных слоев образцов с перпендикулярной магнитной анизотропией (ПМА), как константа поверхностной ПМА, коэрцитивная сила Нс, поле насыщения и ряд других, а для образцов магнитномягких материалов - дополнительно намагниченность насыщения М р.Для измерения объемных магнитных характеристик образцов служит измерительная торсионная головка, содержащая кристалл-датчик 24 магнитного момента и электрометрический усилитель 25, При выполнении этих измерений снимаются так называемые торсионные кривые, т,е. зави 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 симости величины крутящего механического моментаобразца от угла Р поворота магнитного поля относительно плоскости образца при разных значениях величины напряженности Н магнитного поля. Для выполнения измерений зависимости= 1 ф с ЭВМ 21 подается ряд команд, по которым производится установка определенного значения величины поля Н в зазоре электромагнита с помощью источника 5 тока электромагнита, включается устройство 8 управления двигателем 7, вращающим платформу 6 с электромагнитом 1, отключается магнитооптический канал измерения, включается канал измерения зависимости (. = 1 ф. После снятия зависимости О = 1 (ф при значении Н = Н 1 ЭВМ устанавливает значение Н =- Н 2, и цикл измерения 1 г =1(Д при Н = Н 2 повторяется. После проведения необходимого числа циклов измерения ЭВМ производит обработку массива полученных данных, т.е. серии зависимостей Ь = (ф при Н = Нк и расчет таких характеристик образцов, как константа объемной ПМА и намагниченность насыщения М р.В процессе выполнения измерений зависимости 6=.(Н) и 1 = 1 (Р), а также результаты расчета магнитных характеристик могут отображаться на экране дисплея 22 и выводятся на ленту двухкоординатного самописца 23,Экспериментальные исследования показали, что по сравнению с известным предлагаемый магнитометр является универса. ьной установкой, позволяющей измерять как поверхностные, так и объемные магнитные характеристики ферромагнетиков. Точность выполнения измерений в 1,5 - 2 раза выше. Применение в качестве датчика крутящего момента кварцевой пр змы, а не традиционной упругой нити позволяет повысить помехозащищенность измерительной торсионной головки, воспроизводимость и стабильность измерений и, как следствие, точность измерений.Подобные измерения весьма информативны при исследовании ферромагнетиков, у которых химический состав приповерхностных слоев отличается от состава остального обьема, Это, в частности, может иметь место в тонких ферромагнитных пленках с ПМА типа Со - Сг, в многослойных структурах, имплантированных слоях, в пленках, подвергнутых диффузионному термо- или лазерному отжигам и т.д,Формула изобретения 1, Магнитометр, содержащий электромагнит с источником тока, преобразователь напряженности магнитного поля в электри,7 оставитель И. Коноваловехред М.Моргентал . Корректор ЛЯатай Реда р С,Пекарь каз 2010 Тираж 572 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45 тельский комбинат "Патент", г. Ужго агарина, 10 роиэводственноческий сигнал с усилителем, размещенный в зазоре электромагнита, оптически соединенный через отверстие в полюсе электромагнита, полупрозрачное зеркало и поляризатор с источником излучения, анализатор и фотоприемник, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения обьемных характеристик ферромагнетиков и повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные кристалл-датчик магнитного момента, электрический усилитель и регистратор, последовательно соединенные генератор переменного тока модулятора, синхронный детектор, управляемый источник тока компенсатора и компенсатор, опорный резистор, последовательно соединенные блок управления и электродвигатель, а также датчик угла поворота платформы электромагнита, при этом электромагнит установлен на вращающейся платформе, соединенной с двигателем, на вертикальном валу которой установлен датчик угла ее поворота, между поляризатором и полупрозрачным зеркалом и между анализатором и полупрозрачным зеркалом установлены оптически связанные с ними соответственно оптические компенсатор имодулятор, выход фотоприемника подключен к второму входу синхронного детектора,своим выходом соединенного с входом ис 5 точника тока компенсаторв, при этом обмотка соленоида модулятора подключена кгенератору переменного тока модулятора,обмотка компенсатора - к источнику токакомпенсатора и опорному резистору, а вы 10 ходы усилителя преобразователя напряженности магнитного поля в электрическийсигнал, опорного резистора, датчика углаповорота платформы электромагнита, электрометрического усилителя. а также входы15 источника тока электромагнита, блока управления двигателем подключены к регистратору.2, Магнитометр по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения20 помехозащищенности, воспроизводимостии стабильности измерений, кристалл-датчиквыполнен в виде правильной восьмигранной призмы из пьезокристалла кварца спродольной осью, направленной вдоль оси25. Х, и двумя парами электродов, нанесенными на грани призмы, ориентированные подуглами 45 к оси У, причем электроды соединены попарно через один,