Manyetik karakterizasyon için sıcaklık, frekans ve manyetik alan bağımlı AC alınganlık sistemi tasarımı
Temperature, frequency and magnetic field dependent AC susceptometer design for magnetic characterization
Yazar: ŞÜKRÜ KAFAL
Danışman: DOÇ. DR. ERGÜN TAŞARKUYU
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, doğada bulunan veya laboratuvar ortamında geliştirilen teknolojik ve bilimsel değeri olan malzemelerin manyetik özelliklerinin incelenmesinde sıklıkla kullanılan sistemlerden biri olan AC alınganlık sisteminin tasarımı ve geliştirilmesi hedeflenmiştir.  AC alınganlık sistemleri, incelenecek olan bir malzemenin zamanla değişen bir manyetik alan içine yerleştirilmesi sonucunda malzemede indüklenen alanın ölçülmesi ilkesine dayanmaktadırlar. Hemen hemen bütün AC alınganlık sistemlerinde ortak olarak, değişken manyetik alanı yaratmak için birincil sargı olarak adlandırılan bir bobin ve malzemede indüklenen alanın algılanmasında kullanılan ve ikincil sargı olarak adlandırılan diğer bir bobin bulunmaktadır. Bu sistemlerin bazı varyantlarında ikincil sargıya ihtiyaç duyulmadan birincil sargının, malzemenin varlığında ve yokluğundaki indüktans değişiminden yola çıkılarak malzemenin manyetik özellikleri ile ilgili çeşitli bilgi elde edilebilmektedir. Günümüzde sistemden sisteme tasarım değişiklikleri gösteren AC alınganlık sistemleri bulunmaktadır. Bu çalışmada, aynı eksen üzerinde bir Teflon (PTFE) nüve üzerine sarılmış üç adet bağımsız olarak akım sürülebilen birincil sargıdan ve bunlarının arasına yerleştirilen iki adet ikincil sargıdan meydana gelen bir tasarımın uyarlaması düşünülmüştür. Birincil sargının üç bağımsız sargı olarak tasarlanması sonucunda, sargıların indüktansının tek bir sargıya göre üçte-bir oranında azalacağı ve böylece aynı alan şiddetine üçte-bir oranında daha düşük gerilimlerle ulaşıla bilineceği hesaplanmıştır.  Bu yaklaşımla, malzemeye uygulanan alan için, daha büyük bir alan değişim aralığı ve alan değişim frekansı elde edilebileceği ön görülmüştür. Bu sayede, bobin sisteminin sinyal-gürültü oranında ciddi bir iyileştirme olacağı ve sonucunda sistemin duyarlılığının aynı oranda artırılabileceği düşünülmüştür. Ayrıca, alanı sürmek için kullanılacak olan güç amplifikatörü tasarımının da basitleşeceği diğer bir ek fayda olarak görünmektedir. 
Standart AC alınganlık sistemlerinde değişken alanın üretilmesi için bir sinyal üreteci ve ikincil sargıda indüklenen sinyali gürültüden arındırarak ölçmek için bir faz-kilitlemeli amplifikatör kullanılır. Bu çalışmada, alanı sürecek olan sinyalin frekansının, fazının ve genliğinin bir bilgisayar tarafından USB protokolü üzerinden denetlenebildiği sinyal üreteci tasarlanmıştır. Bu, AVR (Atmega 328P) tabanlı bir mikro-denetleyici ile kontrol edilebilen Doğrudan Dijital Sentez (DDS) tümleşik devresi (AD9850) ve bir dijital potansiyometre tümleşik devresi (MCP49010)  kullanarak gerçekleştirildi. Kilitlemeli amplifikatör (KA) ise, AD630 modülatör/demodülatör tümleşik devresi kullanılarak inşa edilmiştir. KA'nın zaman sabiti ve giriş kazanç ayarının bilgisayar denetiminde yapılabilmesi ve ölçülen sinyalin dijital olarak USB üzerinden bilgisayara aktarılabilmesi için Atmega328P mikro-denetleyici kullanarak geliştirilmiştir. 
Tasarlanan AC alınganlık sisteminin bobinleri, malzemelerin 15-320 K sıcaklık aralığında sıcaklık bağımlı alınganlıkların incelenmesi için kapalı-döngü-helyum düşük-sıcaklıklar sisteminin kriyostat içine yerleştirilmiştir. Girdap akımlarını engellemek için malzemeye termal iletim 'C' biçiminde bir bakır çubukla sağlanmıştır. Sistemin sıcaklık denetimi için GPIB (IEEE 488.2) protokolü üzerinden bilgisayara bağlı LakeShore 335 sıcaklık denetleyicisi kullanılmıştır. Sistemin bütün olarak otomasyonu MATLAB yazılım geliştirme platformunda yazılan bir kod üzerinden gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to design and develop an AC susceptibility system which is one of the systems used to study magnetic properties of materials found in nature or developed in laboratory environment and have technological and scientific values . AC susceptibility systems are based on the measurement of the field induced by a material which is to be examined as a result of the placement of it into a time-varying magnetic field. In almost all AC susceptibility systems, there is a coil called the primary coil to create the variable magnetic field, and another coil used to sense the induced field in the material, called the secondary coil. In some variants of these systems, a lot of information about the magnetic properties of the material can be obtained via the inductance variation of the primary coil, in the presence and absence of the material, without the necessity of the secondary coil. Today, AC susceptibility systems exhibit design variations from one system to another. In this study, a design that consists of three independently driven primary windings and two secondary windings placed between them, wound on a Teflon (PTFE) core on the same axis is implemented. It has been calculated that designing the primary winding as three independent windings would reduce the inductance of the windings by three to one compared to a single winding, so that the same field strength can be achieved with one third of the voltage required for a single winding. With this approach, it is predicted that a larger range of field-change and field-change frequency can be obtained for the field applied to the material. It is thought that the coil system will have a serious improvement in the signal-to-noise ratio and as a result, the sensitivity of the system can be increased at the same time. In addition, the design of the power amplifier that will be used to drive the field will also simplify significantly, which is an additional benefit. 
In standard AC susceptibility systems, in order to generate the variable field a signal generator, and to measure the induced voltage in the secondary windings a lock-in amplifier are used to remove the noise from the signal. In this work, we designed a signal generator in which the frequency, phase and amplitude of the signal to drive the field can be controlled by a computer via the USB protocol. We did this using the Direct Digital Synthesis (DDS) integrated circuit (AD9850) and a digital potentiometer integrated circuit (MCP49010), both of which can be controlled with an AVR (Atmega 328P) based microcontroller. The lock-in amplifier (LIA) is built using the AD630 modulator / demodulator integrated circuit. The LIA has been developed using the Atmega328P microcontroller so that the time constant and the input gain can be set by a computer and the measured signal can be transferred to the computer via USB. 
The coils of the designed AC susceptibility system were placed in a closed-cycle-helium low-temperature system (cryostat) to examine the temperature dependent susceptibilities of the materials in the temperature range of 15-320 K. The thermal conduction to the material is provided by a C-shaped copper rod in order to prevent eddy currents. The temperature monitoring was performed with a LakeShore 335 temperature controller connected to the computer via GPIB (IEEE488.2) protocol. The automation of the system as a whole was accomplished through a code written in the MATLAB software development platform.