Экспериментальная установка для исследования акустооптических явлений в магнитных материалах

УДК 538.612

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

С.А. МИГАЧЕВ, М.Ф. САДЫКОВ, Д.А ИВАНОВ, М.М. ШАКИРЗЯНОВ

Казанский государственный энергетический университет

Разработана многофункциональная автоматизированная экспериментальная установка для исследования магнитооптических, магнитоакустических и акустооптических свойств магнитоупорядоченных веществ. Установка позволяет исследовать физические явления при одновременном воздействии на вещество оптического излучения ближнего ИК-диапазона, акустических полей до 10 Вт/м в магнитном поле до 1,67-10 А/м.

Ключевые слова: магнитооптика, магнитоакустика, антиферромагнетик, дифракция.

Открытые микропроцессорные системы сбора и обработки данных, как наиболее универсальные, позволяющие гибко реагировать на появление новых современных устройств, находят все большее применение в автоматизации экспериментальных научно-исследовательских установок. Универсальная система, способная к быстрой перестройке и адаптации к конкретному эксперименту, должна удовлетворять следующим взаимосвязанным условиям.

1. В основе управления должна лежать программа, которая способна: взаимодействовать с аппаратной частью, позволять работать инженеру с базовыми знаниями программирования, быть интуитивно понятной для неспециалиста в программировании, позволять легко модифицировать части программы, т.е. быть наглядной и логически прозрачной, должна предусматривать возможность взаимодействия не только со специальным, но и с различным внешним оборудованием по стандартным каналам связи (USB, GPIB, RS-232 и т.д.).

2. Аппаратная часть установки должна легко интегрироваться в современные информационные системы, иметь широкий спектр диапазонов и каналов измерения, иметь определенный набор управляющих и измерительных устройств.

Одним из наиболее удачных решений в направлении разработки универсальных систем автоматизации является подход компании "National Instruments"(NI) - технология виртуальных приборов на основе среды графического программирования LabVIEW.

Нами была создана многофункциональная автоматизированная экспериментальная установка по изучению магнитоупругих (МУ) и магнитооптических (МО) свойств аитиферромагнетиков с использованием аппаратно-программных средств NI. Комплекс (рис.1) позволяет решать три основные задачи: исследование магнитооптических, магнитоакустических свойств, изучение явления дифракции света на звуке в магнитных полях до 1,67 106 А/м.

Для исследования МО свойств [1,2,3] используется оптическая часть установки, состоящая из инфракрасного лазера с источником питания, оптической системы формирования луча (КЛ), фотоприемника (ФП) и электромагнита (МГ) с блоком питания (БПМ).

© С.А. Мигачев, М. Ф. Садыков, Д.А Иванов, М.М. Шакирзянов Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

\

МГ

/

П

П

Рис. 1. Блок-схема установки для изучения МУ и МО свойств легкоплоскостных антиферромагнетиков: ИКЛ - инфракрасный лазер (1=1,35 мкм); П - поляризаторы; ОБР - образец; П.П. - пьезопреобразователь (LiNbOз, X - срез); ВЧУ - генератор несущей

частоты (20-520 МГц), усилитель мощности; ВЧП - высокочастотный супергетеродинный двухканальный приемник (48-108 МГц); ПК - персональный компьютер

Одним из оригинальных решений в нашей установке является чувствительный ФП, схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема фотоприемника

Излучение лазера после образца, поляризаторов и диафрагмы собирается объективом фотоприемника на фоточувствительном элементе. Фотосопротивление

© Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

Ш, представляющее собой активную зону 1x1 мм на подложке, конструктивно дополнено системой охлаждения и термостабилизации с использованием эффекта Пельтье. Через емкость С1 принятый сигнал передается на первый каскад усилителя БЛ1 с коэффициентом усиления 100, затем сигнал усиливается вторым каскадом с переменным коэффициентом усиления. Источником питания охладителя является стабилизированный генератор тока на операционном усилителе DAЗ, обеспечивающий необходимый для термопары (ТП) ток 150 мА.

Для исследования МУ свойств гематита используется акустическая часть установки, состоящая из генератора несущей частоты, с внешним модулятором, тактирующего генератора, усилителя мощности, передающего и приемного пьезопреобразователей, супергетеродинного приемника.

Электрическая схема когерентного модулятора приведена на рис. 3. ВЧ-сигнал с генератора несущей частоты поступает на схему формирования синфазного тактирующего импульса, состоящую из модернизированного частотомера Ч3-57, вырабатывающего управляющий импульс с регулируемым числом периодов (от 10 до 100 периодов ВЧ). Формирователь управляющих импульсов вырабатывает два разнополярных импульса для управления модулятором. Таким образом, модулятор выдает когерентный ВЧ импульс необходимой длительности диапазона 50-100 МГц.

Рис. 3. Схема когерентного модулятора высокой частоты (ВЧ): Ч - частотомер; Г - генератор ВЧ; У1 - усилитель синхроимпульса; У2 - выходной усилитель ВЧ; ФИ - формирователь управляющих импульсов УТ1-УТ3 - КП303А

Установка также позволяет проводить эксперименты по изучению характеристик акустооптического взаимодействия в магнитных кристаллах в постоянном внешнем магнитном поле. Для этого в комплекс включена система мощной акустической накачки (до 30 Вт), основанная на современных недорогих высокочастотных усилителях, таких как КЛ30И1317М -130-170 МГц или КЛ45И4052М -400-520 МГц. Это законченные микросхемы, выполненные по гибридной технологии и основанные на современных MOSFET транзисторах, которые легче справляются с ухудшением КСВ. Кроме того, эти усилители снабжены входом регулирования коэффициента усиления, что позволяет автоматически поддерживать заданный уровень мощности.

К выходу модулятора подключается один из широкополосных усилителей мощности необходимого диапазона. Таким образом удалось получить диапазон рабочих частот установки 20-520 МГц. Режим бегущей акустической волны создается поглощением ультразвука на противоположном пьезопреобразователю торце образца присоединенным коническим поглотителем, выполненным из меди,

акустическое волновое сопротивление которой наиболее близко к волновому сопротивлению гематита.

Для оценки акустической мощности, прошедшей через образец, поглотитель снабжен полупроводниковым измерителем температуры ЬМ60. Это недорогое устройство имеет малые габариты, хорошую точность, подходящий температурный диапазон (-40 .„+125), а также линеаризованную характеристику. Линейность характеристики и простота подключения позволяют интегрировать датчик в автоматизированную систему сбора данных. Для более точного измерения температуры, при которой ведутся эксперименты, предусмотрено также использование термостолбика термопары медь-константан.

Одной из оригинальных частей автоматизированной установки является разработанный нами блок питания электромагнита (рис. 4). Мы использовали линейный регулируемый стабилизатор. Регулирующий элемент состоит из восьми мощных полевых транзисторов, включенных параллельно. Выбранные транзисторы хорошо подходят по напряжению и току. Однако, поскольку они являются переключательными и имеют большую величину крутизны в истоковых цепях, то необходимо применить выравнивающие сопротивления. Для этого были использованы проволочные сопротивления большой мощности и хорошей термостабильности. Истоковые сопротивления являются датчиками тока. Величины токов через транзисторы складываются и сравниваются с опорным операционным усилителем, который, в свою очередь, вырабатывает сигнал ошибки для ее компенсации.

О'

1

2

|№Р462  25

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема блока питания электромагнита

Для контроля за величиной магнитного поля мы использовали линеаризованный датчик Холла 8894Л2Б. Этот датчик также интегрирован в автоматизированную систему.

Управляющим элементом разработанной автоматизированной установки является персональный компьютер. Ввод и вывод сигналов осуществляется посредством аппаратно-программного комплекса компании N1.

Основой ввода и вывода данных является плата РС1-6221, которая содержит 16-битный АЦП с 16-канальным аналоговым коммутатором на входе, частоту дискретизации АЦП можно регулировать вплоть до 250 кГц. Кроме того, имеется два 16-битных ЦАП и три восьмибитных порта ввода-вывода. Используемая нами плата может работать как самостоятельное устройство в составе аппаратно-программного комплекса. Однако для расширения возможностей ввода-вывода информации данная плата была использована в составе аппаратного комплекса 8СХ1-1000 с дополнительными блоками SСXI-1124 и SСXI-1125. 8СХ1-1124 -

90.9П

ТС

16 8

1кП

08

12

220 V

1ЮТ462

462

0

4

18

21

22

шестиканальный гальванически развязанный 12-разрядный ЦАП в дополнении к ЦАП, расположенным на плате РС1-6221, а 8СХ1-1125 - восьмиканальный гальванически развязанный предварительный усилитель с переменным коэффициентом усиления от 0,01 до 2000 для АЦП платы РС1-6221.

Таким образом, мы имеем 8 гальванически развязанных канала АЦП и 6 гальванически развязанных канала ЦАП, что очень удобно для экспериментальных установок. В качестве управляющей программы использовался язык графического программирования LabVIEW 8,2. В эту систему интегрировано множество различных функций, облегчающих работу с аппаратурой. Небольшой фрагмент управляющей программы, отвечающий за ввод и отображение информации, показан на рис. 5.

Рис. 5. Фрагмент управляющей программы, отвечающей за ввод и отображение информации

Как видно из рис. 5, БЛО Л««1«1ап15 получает данные из АЦП, после чего они выводятся на экран (блок «сигнал») для контроля, затем разделяются, фильтруются, строится спектр, определяются частоты и амплитуды и сохраняются в массиве данных («Гарм.сигн.усред» и «Гармоника звука»), отображаются на экране и т.д. Как видно, программа реализуется в виде алгоритмической блок-схемы, что является понятным и графически отображает прохождение и обработку сигналов. Такая концепция позволяет легко модифицировать и изменять любой участок программы, что невозможно переоценить в экспериментальных установках.

Используемый нами язык графического программирования имеет широкие возможности для создания интерфейсов пользователя. Лицевая панель разработанной установки изображена на рис. 6, где показана зависимость сигнала дифракции в легкоплоскостном антиферромагнетике а-Ре203 от магнитного поля при различных направлениях в базисной плоскости кристалла. Программа позволяет изменять скорость сканирования, устанавливать любой диапазон полей и количество точек сканирования, время измерения, автоматически и в ручном режиме сохранять полученные данные и зависимости. В нижней части отображается зависимость сигналов дифракции и амплитуды ультразвука от времени. © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

Использование языка графического программирования позволяет быстро модифицировать программу. На рис. 7 показана лицевая панель программы, полученной из предыдущей. В этой программе снимаются те же данные, но в другом эксперименте: снятие угловых зависимостей сигнала дифракции при фиксированном значении магнитного поля.

Рис. 6. Лицевая панель программы. Зависимость сигнала дифракции в легкоплоскостном антиферромагнетике от магнитного поля при различных ориентационных углах

Рис. 7. Лицевая панель программы. Угловые зависимости сигнала дифракции в

фиксированном поле

Выводы

Разработана многофункциональная экспериментальная установка для исследования оптических и акустических свойств магнетиков. Она позволяет исследовать физические процессы при одновременном воздействии оптического излучения ближнего ИК-диапазона, акустических полей до 105 Вт/м2 в магнитном поле до 1,67-10б А/м. С использованием данной установки в легкоплоскостном антиферромагнетике a-Fe2O3 (гематит) получены следующие результаты:

- впервые обнаружена зависимость оптического двулучепреломления от магнитного поля, оценены магнитооптические константы[4, 5];

- впервые обнаружен и исследован акустический аналог эффекта Коттона-Мутона, заключающийся в появлении двулучепреломления магнитоупругих волн, распространяющихся вдоль оси симметрии третьего порядка[4, 5];

- впервые экспериментально обнаружена дифракция света на звуке в режиме Рамана-Ната, обусловленная линейной модуляцией поляризаций нормальных оптических мод, связанной с осцилляциями вектора антиферромагнетизма L, вызванными магнитоупругим взаимодействием [4,5];

- исследована зависимость параметров дифракции от величины постоянного магнитного поля Н±, приложенного в базисной плоскости.

Установлено, что величина дифракции в полях выше поля монодоменизации гематита (HD ~ 1,8 kOe), полностью соответствует полевой зависимости коэффициента обменного усиления магнитоупругой связи. Максимум интенсивности дифрагированной волны, достигаемый в полях Н±~ HD, при мощности звукового потока в образце около 1 Вт/см2 составил приближенно 0,9% от интенсивности света на входе, а её поляризация перпендикулярна поляризации входной линейно-поляризованной волны. Полученные результаты качественно согласуются с выводами теории акустооптической дифракции в антиферромагнетиках и подтверждают антиферромагнитный характер механизма дифракции в изучаемой геометрии эксперимента.

Summary

Multi-functional automated experimental equipment for investigation of magnetooptical, magnetoacoustical and acoustooptical properties of magnetically ordered materials is designed. This equipment enables to investigate physical phenomena under simultaneous influence on material of near - IR optical radiation, acoustical fields with intensity up to 10 W/m in magnetic field to 1,67-10'' A/m

Key words: magnetooptics, magnetoacoustics, antiferromagnet, diffraction.

Литература

1. Туров Е.А. Кинетические, оптические и акустические свойства антиферромагнетиков., Свердловск: УрО АН СССР, 1990. 134 с.

2. Смоленский Г.А, Писарев Р.В., Синий И.Г. // Двойное лучепреломление света в магнитоупорядоченных кристаллах. УФН. 1975. Т.116. В.2. С.231-256.

3. Akhmadullin I.Sh., Golenishchev-Kutuzov V.A., Migachev S.A., Sadykov M.F. Investigation of the cotton-mouth on effect in a-Fe2O3 easy -plane antiferromagnet // Proceedings of Int. Conf. EASTMAG-2001, Ekaterinbourg, 2001. C. 63.

4. Мигачев С. А., Садыков М. Ф., Шакирзянов М. М. Акустооптическая дифракция в гематите, обусловленная магнитоупругой поляризацией оптических мод // Письма в ЖЭТФ. Москва, 2008. С.54-58.

5. Мигачев С. А., Садыков М. Ф., Шакирзянов М. М. Дифракция света на звуке в антиферромагнетике а-Ре203 в режиме Рамана-Ната, обусловленная модуляцией поляризаций нормальных оптических мод // Физика твердого тела. 2008. Том 50. Вып. 10.

Поступила в редакцию 15 июня 2009 г.

Мигачев Станислав Александрович - канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории магнитоакустики Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН. Е-шаИ: smigach@kfti.knc.ru.

Садыков Марат Фердинантович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Е-шаП: s adykov@kfti.knc. ги.

Иванов Дмитрий Алексеевич - студент кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-483713. Е-шаП: dima_103_86@mail.ru.

Шакирзянов Масгут Мазитович - д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией магнитоакустики Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 272-11-34. Е-mail: shakirzyanov @kfti.knc.ru.