УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АМОРФНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МИКРОПРОВОДОВ

Заявляемое техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано в электронике для измерения локальных характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ) с положительной константой магнитострикции.
с
s
s
zz
n
dw
a-th
АФМ в тонкой стеклянной оболочке с положительной константой магнитострикции и диаметром 10-30 микрометров демонстрируют уникальное бистабильное поведение, т.е. обладают практически прямоугольной петлей гистерезиса с малым коэрцитивным полем Н<1 эрстеда. Такие АФМ весьма перспективны для применения в устройствах электронной техники (A.Zhukov, J.Gonzales "Amorphous magnetic materials for sensors", in Encyclopedia of Sensors, vol.X, C.A.Grimes, E.C.Dickey and M.V.Pishko, Eds. American Scientific Publishers, 2006, pp.1-25). Однако для технических применений необходимо точно знать ряд важных физических характеристик АФМ, а именно, намагниченность насыщения M, константу магнитострикции λ, амплитуду закалочных напряжений (σ-σ), величину магнитного поля зарождения доменных границ Н, скорость доменной границы V и ее подвижность α, величину порогового магнитного поля распространения доменных границ H.
dw
Известно устройство для измерения подвижности доменных границ (ДГ) в АФМ (R.Varga, K.L.Garcia, M.Vazquez, P.Vojtanik, Phys.Rev. Lett., 94 (2005) 017201). В этом устройстве исследуемый АФМ помещают в переменное продольное изменяющееся магнитное поле с частотой несколько десятков герц с амплитудой, достаточной для последовательного перемагничивания АФМ. В средней части АФМ на фиксированном расстоянии друг от друга установлены две катушки для измерения времени между моментами прохождения одиночной ДГ, зарождающейся на конце АФМ и проходящей через первую и вторую катушки. Таким путем можно измерить скорость Vдвижения ДГ в зависимости от амплитуды внешнего ускоряющего магнитного поля, т.е. определить среднюю по АФМ подвижность α ДГ.
Недостатком этого метода измерения является то обстоятельство, что зарождение ДГ происходит всегда на одном из концов АФМ, где распределение намагниченности существенно неоднородно, в силу наличия вблизи конца АФМ большого размагничивающего поля. Условия на конце АФМ зависят от трудно контролируемых факторов, а именно, точной геометрии среза и характерной длины скола стеклянной оболочки АФМ, поэтому теоретически рассчитать поле зарождения ДГ вблизи конца АФМ и установить связь с другими
a-th
характеристиками АФМ не представляется возможным. Кроме этого, в указанном устройстве распространение ДГ происходит в магнитном поле, большем или равном полю зарождения ДГ, в то время как необходимо знать пороговое магнитное поле H для распространения ДГ и ее подвижность в малых магнитных полях, вблизи порогового магнитного поля. Также в известном решении измеряют скорость ДГ, усредненную по всей длине АФМ, что не дает возможности судить о локальных характеристиках АФМ.
s
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство (D.-X.Chen, N.M.Dempsey, M.Vazquez, and A.Hernando, IEEE Trans. on Magn., V31, №1, 1995, pp 781-787), содержащее АФМ, проходящий внутри соленоида, который связан с потенциометром и источником постоянного напряжения, образующими формирователь регулируемого постоянного тока, катушку зарождения домена, которая связана с конденсатором и вторым источником постоянного напряжения, образующими формирователь импульса тока, две последовательно соединенные приемные катушки, размещенные на заданном расстоянии друг от друга, осциллограф в качестве регистратора, а также закрепленный на АФМ груз, обеспечивающий продольное механическое растяжение σ АФМ.
s
а
а
Принцип действия устройства состоит в следующем. АФМ пропускают через соленоид, вдоль оси которого установлены катушка зарождения домена длиной 6 мм и две приемные катушки. Приемные катушки установлены на расстоянии 10 см друг от друга симметрично относительно центра соленоида. К противоположному концу АФМ прикреплен груз, создающий продольное механическое растяжение σ АФМ. Исследования скорости прохождения ДГ выполняются для нескольких величин продольного механического растяжения. При каждом измерении с помощью соленоида создается магнитное поле, намагничивающее АФМ до насыщения, которое затем уменьшается до малой величины Н (ускоряющее поле), при этом его знак меняется на противоположный. После этого короткий магнитный импульс катушки зарождения домена создает в АФМ магнитный домен противоположного знака, ограниченный двумя ДГ. Под действием Н ДГ начинают двигаться в противоположных направлениях. При этом одна из ДГ проходит через приемные катушки, в которых создается сигнал ЭДС, поступающий на регистратор.
s
Недостатком прототипа являются его ограниченные функциональные возможности, позволяющие измерять только усредненную по длине 10 см скорость прохождения ДГ и определять подвижность α при различных продольных механических растяжениях σ.
dw
dw
а
n
s
n
s
s
Решаемая нами техническая задача состоит в расширении функциональных возможностей устройства для измерения характеристик АФМ, а именно, наряду с измерениями времени прохождения ДГ через приемные катушки (т.е. скорости прохождения ДГ V и подвижности α=V/Н) также обеспечение возможности измерения магнитного поля зарождения ДГ Нпри различных величинах продольного σ и углового механических растяжений σ. После чего, используя полученные значения Н, σ и σ, вычисляют величину отношения намагниченности провода M к константе магнитострикции
s
zz
n
i
j
а
dw
i
j
а
λ. и амплитуду закалочных напряжений (σ-σ) исследуемого АФМ. Таким образом, в ходе измерений получают экспериментальные зависимости H(x, m, Н) и V(x, m, Н), из которых с помощью специализированного ПО вычисляют по формулам (1) и (2), приведенным ниже, набор физических характеристик АФМ:
s
s
zz
арр
где λ - константа магнитострикции провода, M [А/м] - намагниченность насыщения, (σ-σ) [Па]- разность компонент тензора закалочных напряжений, σ [Па] - приложенное к проводу растягивающее напряжение, которое вычисляют по формуле:
m
g
Здесь m [кг] - масса малого груза, прикрепленного к нижнему концу провода, g - ускорение свободного падения, ρ=d/D - отношение диаметра металлического кора к полному диаметру провода, R=D/2 - полный радиус провода, Е [Па] и E [Па] - модули Юнга металлического кора и стеклянной оболочки провода, соответственно. (A.S.Antonov, V.T.Borisov, O.V.Borisov, A.F.Prokoshin, N.A.Usov, "Residual quenching stresses in glass-coated amorphous ferromagnetic wires" J. Phys. D: Appl. Phys. 33, (2000) pp.1161-1168)
n
s
s
n
zz
φφ
s
Из формул (1), (2) следует, что измеряя зависимость H(m), определяют отношение λ/M, а затем, зная поле зарождения ДГ в ненагруженном проводе, H(0),вычисляют амплитуду закалочных напряжений (σ-σ). Намагниченность насыщения провода M определяют экспериментально независимо, например, из измерений на вибрационном магнитометре.
n
n
В предлагаемом решении по сравнению с прототипом преследуется цель повышения локальности измерения магнитного поля зарождения ДГ H, а значит, повышения информативности измерений. При этом выбор длины катушки зарождения домена определяет область зарождения ДГ и, следовательно, возможную локальность определения Н по длине АФМ.
Представленная функциональная схема устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных проводов содержит закрепленную на оси шагового двигателя 1 бобину 2 с исследуемым АФМ 3. Конец АФМ пропущен внутри стеклянного микрокапилляра 4, размещенного в соленоиде 5. На микрокапилляре 4 внутри соленоида 5 установлена катушка зарождения домена 6 и две последовательно соединенные приемные катушки 7, расположенные на известном заданном расстоянии друг от друга. К концу АФМ подвешен сменный груз 8, обеспечивающий продольное механическое растяжение АФМ. Шаговый двигатель 1 подключен к выходу схемы управления шаговым двигателем 9. Соленоид 5, катушка зарождения домена 6 и приемные катушки 7 соединены соответственно с выходом формирователя регулируемого постоянного тока 10, выходом формирователя пилообразного тока 11 и входом усилителя 12. Блоки 9-12 подключены к плате управления и сбора данных 13, размещенной внутри персонального компьютера 14. При этом
плата управления и сбора данных 13 состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соединенного с выходом усилителя 12, и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых подключен к входу формирователя регулируемого постоянного тока 10, другой - к входу формирователя пилообразного тока 11. Вход схемы управления шаговым двигателем 9 подключен к логическому выходу платы управления и сбора данных 13. Плата управления и сбора данных 13 соединена через последовательный интерфейс с регистратором выполненным в виде персонального компьютера.
Введение в устройство бобины 2 с исследуемым АФМ 3 обеспечивает возможность измерения характеристик длинномерных АФМ. Шаговый двигатель 1 со своей схемой управления 9 обеспечивает возможность измерения характеристик АФМ по всей его длине с заданным шагом. Введение в устройство стеклянного микрокапилляра 4 дает возможность конструктивного обеспечения жесткости связей измерительной части устройства, включающей собственно АФМ 3 с катушкой зарождения домена 6 и двумя приемными катушками 7. Введение формирователя пилообразного тока 11, подключенного к катушке зарождения домена 6, обеспечивает возможность измерения поля зарождения домена, при этом размеры и количество витков катушки зарождения домена выбирают минимальными при одновременном выполнении условия создания магнитного поля, достаточного для зарождения домена. Технически возможна реализация однослойной 10 витковой катушки длиной 0.5-0.6 мм. Введение усилителя 12 обеспечивает возможность регистрации слабых сигналов ЭДС приемных катушек 7.
74
13
11
2
m
Работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере опытного образца устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов, реализованного на основе дискретных электронных компонентов (микросхем, резисторов, емкостей) и стандартной платы АЦП L-783 ф. «L-card», содержащей 12 разрядный АЦП, встроенные ЦАП-1 и ЦАП-2, и логический выход. В опытном образце исследовался АФМ состава FeBSiC с внутренним диаметром ферромагнитной сердцевины d=17.6 мкм и полным диаметром стеклянной оболочки D=24 мкм. Катушка зарождения домена 6 выполнена из 50 микронного медного изолированного провода длиной 0.6 мм и намотана непосредственно на стеклянный микрокапилляр 4 диаметром 0.5 мм. Соленоид 5 изготовлен из медного провода диаметром 0.3 мм длиной 40 мм на каркасе из оргстекла.
Устройство работает в автоматическом режиме под управлением персонального компьютера (ПК) 14 со специализированным программным обеспечением (ПО). ПО формирует команды, поступающие в плату 13 управления и сбора данных, которая, в свою очередь, задает сигналы управления на блоки 9-12. В качестве регистратора в нашем образце использован ПК 14 с центральным процессором типа «Пентиум-2», оперативной памятью 256 Мб и операционной системой Windows 2000. Возможны и другие типы микропроцессора, интерфейса и ПК.
Процедура измерения происходит в следующей последовательности:
а
1. Перед измерениями оператор задает начальное и конечное значения участка измерения АФМ, шаг, с которым будут проводиться измерения, величину груза m, значения ускоряющих полей Н и дает команду «старт».
i
2. После запуска программы управляющий сигнал, поступающий с платы 13 на вход блока 9, обеспечивает вращение шагового двигателя 1 и перемещение АФМ в начальное положение, соответствующее координате АФМ X, где i - 1, 2, ..., n, и дальнейшее удержание АФМ 3 в данном положении на время измерений.
а
3. После остановки вращения шагового двигателя 1 с платы 13 выходное напряжение ЦАП-1 поступает на вход формирователя регулируемого постоянного тока 10, с выхода которого токовый сигнал поступает на соленоид 5. Под действием токового сигнала соленоид 5 на короткий (~ 0.1 сек) промежуток времени создает вдоль оси АФМ 3 однородное магнитное поле, достаточное для насыщения АФМ, которое затем уменьшается до малой величины Н (~1э), при этом его знак меняется на противоположный и фиксируется на время проведения измерения.
а
а
n
4. После включения в соленоиде 5 ускоряющего поля Н с платы 13 выходное напряжение ЦАП-2 поступает на вход формирователя пилообразного тока 11, с выхода которого токовый сигнал поступает в катушку 6 зарождения домена. Под действием токового сигнала в катушке зарождения ДГ 6 появляется линейно-нарастающее магнитное поле, сонаправленное с Н. Это поле нарастает внутри катушки 6 до момента зарождения в АФМ 3 магнитного домена обратного знака, ограниченного двумя ДГ. Момент зарождения магнитного домена фиксируется по появлению импульсов ЭДС в приемных катушках 7. Эти сигналы после усиления в усилителе 12 поступают на вход АЦП платы управления и сбора данных 13, где преобразуются в цифровой вид и запоминаются далее в ПК 14. Одновременно, эти же импульсы ЭДС являются сигналом для остановки работы ЦАП-2 и для фиксации величины его выходного напряжения. Данное выходное напряжение ЦАП-2 затем пересчитывается в ПК в значение магнитного поля Н, которое носит название магнитного поля зарождения ДГ и является одной из измеряемых нами величин.
1
2
а
5. Импульсы ЭДС приемных катушек 7, преобразованные в цифровой вид и сохраненные в ПК 14, несут информацию о времени прохождения ДГ через приемные катушки 7, расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга. Разность расположения временных максимумов импульсов ЭДС Δt=(t-t) является следующей измеряемой величиной, позволяющей определять скорость ДГ в поле Н.
n
6. Измерение величин Н и Δt в данной точке при фиксированных значениях груза и ускоряющего поля, является окончанием одного цикла
измерений. Следующий цикл измерений отличается от предыдущего изменением значения одного из параметров, указанных в пп.1, 2.
7. Результаты каждого цикла измерений поступают в ПК и с помощью ПО осуществляется обработка данных с учетом формул (1) и (2) и регистрация получаемых параметров исследуемого АФМ.
а
n
1
2
s
s
zz
φφ
dw
i
n
Таким образом, из совокупности измерений: параметра Н, величины подвешенного груза m, величины измеренного магнитного поля зарождения ДГ Н, времени прохождения импульсов (t-t) получают основные физические характеристики АФМ - отношение намагниченности насыщения M, к константе магнитострикции λ, амплитуду закалочных напряжений (σ-σ), скорость ДГ V и подвижность α. Все указанные характеристики определены в зависимости от координаты X вдоль оси АФМ. Уменьшение размеров катушки зарождения домена приблизительно в 10 раз (в нашем образце длина катушки зарождения домена 6 составляет 0.6 мм по сравнению с прототипом) позволяет во столько же раз повысить точность определения значения Н за счет большей локализации области, в которой происходит зарождение ДГ.
Испытания созданного авторами опытного образца устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов показали, что заложенные в нем технические параметры соответствуют расчетным параметрам, при этом была получена возможность измерения набора физических характеристик АФМ, позволяющих судить о качестве исследуемого АФМ и его пригодности для использования в электронных устройствах.