СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ НАСЫЩЕНИЯ ФЕРРИТА
METHOD TO DETECT MAGNETISATION OF FERRITE SATURATION

Изобретение относится к электронной технике и может найти применение при исследовании и производстве пленочных ферритовых материалов.
Намагниченность насыщения является основным параметром ферритовых материалов. Ее широко используют при теоретических расчетах, например при вычислении компонент тензора магнитной проницаемости. В большинстве сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств намагниченность насыщения определяет нижнюю частотную границу прибора, обусловленную ростом потерь в слабых полях в ненасыщенных ферритовых материалах.
В настоящее время для измерения намагниченности насыщения обычно используют способ вибрирующей катушки (VCM) и метод вибрирующего образца (VSM).
s
с
c
c
s
Известен способ определения намагниченности насыщения феррита (см. Стандарт МЭК. Публикация №556, издание первое, 1982. - «Методы измерения параметров гиромагнитных материалов, предназначенных для применения на сверхвысоких частотах». - Советский комитет по участию в МЭК, 1984, стр.12-16), по которому помещают в однородное магнитное поле исследуемый образец феррита, рядом с которым размещены измерительные катушки. Катушки вибрируют с малой амплитудой в направлении, перпендикулярном однородному магнитному полю. Измеряют индуцированное в катушках напряжение e. Затем помещают в однородное магнитное поле калиброванный образец с известными намагниченностью насыщения М и объемом V, и измеряют индуцируемое в вибрируемых катушках напряжение e. Определяют намагниченность насыщения исследуемого образца M из соотношения:
c
s
где d и d усредненные размеры исследуемого и калиброванного образца соответственно. Способ допускает использование несферических образцов при условии, что индуцированное напряжение будет линейной функцией намагниченности в пределах требуемой точности, а размеры калиброванного образца идентичны размерам измеряемых образцов.
Преимуществом метода вибрирующей катушки является легкая установка образца и простое механическое устройство, используемое для вибрации катушки. К недостатку известного способа можно отнести необходимость обеспечения достаточной для измерений массы феррита, что ограничивает область его применения.
s
с
c
c
s
Известен способ определения намагниченности насыщения феррита (см. Стандарт МЭК. Публикация №556, издание первое, 1982. - «Методы измерения параметров гиромагнитных материалов, предназначенных для применения на сверхвысоких частотах». - Советский комитет по участию в МЭК, 1984, стр.18-22), принятый за прототип. В способе-прототипе измерительную катушку жестко закрепляют между полюсами электромагнита, создающего однородное магнитное поле. Между полюсами электромагнита по его оси размещают исследуемый образец феррита, обычно располагаемый симметрично относительно измерительных катушек. Образец вибрируют с малой амплитудой в направлении, перпендикулярном однородному магнитному полю. Измеряют индуцированное в катушках напряжение e. Затем помещают в однородное магнитное поле вибрируемый калиброванный образец с известными намагниченностью насыщения М и объемом V, и измеряют индуцируемое в катушках напряжение e. Определяют намагниченность насыщения исследуемого образца M из соотношения (1).
Способ вибрирующего образца более точен, чем способ вибрирующей катушки, при той же степени сложности используемой в способе электронной аппаратуры. Недостатком известного способа является необходимость обеспечения достаточной для измерений массы феррита. Известный способ не может быть использован для измерения намагниченности насыщения пленочных и монокристаллических ферритов.
е
е
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ определения намагниченности насыщения ферромагнитного материала (см. патент RU №2293344, МПК G01R 33/14, опубликован 10.02.2007), принятый за прототип. Способ-прототип заключается в том, что образец материала в виде осесимметричного тела с известной относительной длиной µ=I/d, где I и d - длина и диаметр тела соответственно, намагничивают в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н по направлению, совпадающему с осью тела, измеряют суммарную магнитную индукцию В в центральном сечении тела и строят зависимость В(Н), вычисляют «внутреннее поле» по формуле
0
где µ - магнитная постоянная;
м
0
е
В=В-µН - индукция поля магнетика;
N - коэффициент размагничивания образца,
i
е
мs
и определяют кривую намагничивания материала В(H). В качестве образца материала используют цилиндрический стержень, намагничивание ведут до магнитного насыщения материала, по измеренной зависимости В(Н) определяют индукцию поля магнетика, соответствующую насыщению материала B, и намагниченность насыщения по формуле
s
мs
0
M=B/(1-N),
0
где N - центральный коэффициент размагничивания однородно намагниченного стержня.
Недостатком известного способа определения намагниченности насыщения ферромагнитного материала является необходимость использования массивного феррита, имеющего форму осесимметричного тела, вследствие чего известный способ не может быть использован для измерения намагниченности насыщения пленочных ферритов.
Задачей заявляемого технического решения является создание такого способа определения намагниченности насыщения феррита, который бы позволял определять намагниченность насыщения пленочных ферритов.
е
и
s
Поставленная задача решается тем, что способ определения намагниченности насыщения феррита включает размещение рядом с поверхностью образца феррита в виде пленки или пластины по меньшей мере двух преобразователей сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии в магнитостатические волны (МСВ), образующих с образцом линию задержки, намагничивание образца феррита в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н>13.5 кА/м в направлении, параллельном поверхности образца феррита, подачу СВЧ-энергии на упомянутые преобразователи, измерение амплитудно-частотной характеристики соответственно линии задержки или фильтра, определение на измеренной амплитудно-частотной характеристике величины частоты f, при которой наблюдается полюс отражения СВЧ-энергии, ближайший к полосе пропускания, и определение намагниченности насыщения M феррита по формуле:
0
-6
где µ- магнитная постоянная, равная 1,26·10, Гн/м;
11
Y - гиромагнитное отношение (отношение заряда электрона к его массе), равное 1,76·10, Кл/кг;
и
f - нижняя граничная частота поверхностных магнитостатических волн, Гц.
Подачу СВЧ-энергии на преобразователи преимущественно ведут в интервале частот 500-15000 МГц.
Образец феррита может быть выполнен в виде пленки железоиттриевого граната, шпинели, гексаферрита.
В качестве преобразователей СВЧ-энергии в МСВ могут быть использованы микрополосковые преобразователи, копланарные преобразователи, несимметричные копланарные преобразователи и другие известные преобразователи (см., например, М.А.Григорьев, А.П.Гей, А.И.Мищенко, Ю.Н.Навроцкая, А.В.Толстиков. - Измерение коэффициента затухания и фазовой постоянной распространения в микрополосковом преобразователе поверхностных магнитостатических волн в диапазоне 9-9.8 GHz. - Журнал технической физики, 1998, том 68, №12. Вашковский А.В., Стальмахов B.C., Шараевский Ю.П. - Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. - Из-во СГУ, 1993. 311 с.).
и
В основу заявляемого способа положено возбуждение в касательно намагниченном образце феррита с помощью преобразователей СВЧ-энергии в поверхностные Магнитостатические волны и слабовыраженные обратные объемные Магнитостатические волны. Магнитостатические волны распространяются от входного к выходному преобразователю. Переход от поверхностных МСВ к объемным происходит на частоте f
и
и
Экспериментально на частоте 1и наблюдается явно выраженный полюс отражения высокочастотной энергии, что позволяет с высокой точностью определить эту частоту. За счет селективных свойств преобразователей СВЧ-энергии в МСВ формируется амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи с четко выраженным полюсом затухания в низкочастотной области от резонансной кривой. Таким образом, измерение намагниченности насыщения испытуемого образца феррита основано на определении частоты f, при которой происходит резкое увеличение затухания в системе, образованной намагниченным образцом феррита и преобразователями СВЧ-энергии в МСВ. Используя найденное значение частоты f полюса затухания, величину постоянного магнитного поля, намагничивающего образец феррита, рассчитывают намагниченность насыщения образца феррита. Заявляемый способ допускает строгое электродинамическое решение, а измерения относятся к разряду косвенных. Погрешности измерений намагниченности насыщения определяются, в основном, погрешностями измерения частоты и постоянного магнитного поля.
Заявляемый способ определения намагниченности насыщения феррита иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 показана схема устройства, которое может быть использовано для реализации заявляемого способа;
на фиг.2 приведена амплитудно-частотная характеристика устройства на МСВ при касательном к плоскости пленки намагничивании;
на фиг.3 показан вид сбоку на СВЧ-узел устройства.
на фиг.4 приведена амплитудно-частотная характеристика эпитаксиальной структуры феррита из железоиттриевого граната (ЖИГ);
на фиг.5 показана амплитудно-частотная характеристика эпитаксиальной структуры феррита из Ga замещенного железоиттриевого граната;
на фиг.6 приведена амплитудно-частотная характеристика поликристаллического массивного образца из феррита никель-цинковой шпинели.
Для осуществления заявляемого способа может быть использовано устройство, схема которого приведена на фиг.1. Устройство включает индикатор (ИНД) 1, генератор качающейся частоты (ГКЧ) 2, измерительный блок (ИБ) 3, частотомер (Ч) 4, измеритель магнитной индукции (ИМИ) 5, согласованная нагрузка 6, первый и второй направленные ответвители (НО) 7. ГКЧ 2 соединен коаксиальным кабелем 8 через ответвитель 9 3 дБ с входом первого НО 7, а также последовательно с аттенюатором 10 10 дБ и Ч 4, первый выход НО 7 через первый коаксиальный переход 11 соединен с входом ИБ 3. Первый выход ИБ 3 соединен с входом (ИМИ) 5, а второй выход ИБ 3 через второй коаксиальный переход 11 подключен к входу второго НО 7, первый выход которого соединен с согласованной нагрузкой 12. Вторые выходы первого НО 7 и второго НО 7 подключены соответственно к первому и второму входам ИНД 1. ИБ 3 представляет собой конструкцию, включающую магнитную систему, СВЧ-узел 13 (см. фиг.3) и механизм регулировки связи. Магнитная система ИБ 3 состоит из полюсных наконечников с прорезями для размещения образца феррита, постоянные магниты и ярмо. Для изготовления полюсных наконечников выбирают сплав с малым значением коэрцитивной силы и обладающий высокой максимальной магнитной проницаемостью µ, например, сталь 50 Н. В качестве постоянных магнитов могут быть использованы постоянные магниты типа КСДЦ-25. В зазор магнитной системы помещают испытуемый образец феррита в виде пленки или пластины, который намагничивается по направлению, параллельному поверхности соответственно пленки или пластины до насыщения. СВЧ-узел 13 предназначен для подвода высокочастотной энергии к преобразователям 14 СВЧ-энергии в МСВ в образце феррита. Преобразователи 14 располагают у поверхности образца феррита, например снизу. СВЧ-сигнал поступает на преобразователи 14 по микрополосковым линиям 15 с волновым сопротивлением 50 Ом. СВЧ-узел 13 подключают к внешнему тракту СВЧ с помощью коаксиальных разъемов 16. Механизм 17 регулировки связи преобразователей с ферритовым слоем позволяет менять расстояние между преобразователями 14 и поверхностью образца феррита.
0
0
Способ определения намагниченности насыщения феррита осуществляют следующим образом. Устанавливают зонд ИМИ 5 в середину зазора магнитной системы ИБ 3 и измеряют значение постоянного магнитного поля H. Величина магнитного поля определена из следующих предпосылок. Она должна быть достаточной для насыщения феррита. Для образца феррита сферической формы постоянное магнитное поле Н, достаточное для насыщения намагничивания, определяют по формуле:
0
0
0
е
0
и
0
и
s
Если образец феррита представляет собой пленку или пластину, требуется меньшее значение магнитного поля для насыщения намагничивания. Поэтому создание магнитного поля, определенного по формуле (3), гарантированно обеспечивает намагничивание образца феррита до насыщения. Наибольшую намагниченность насыщения имеют ферриты со структурой шпинели. Величина намагниченности насыщения шпинелей достигает 5100 Гс (40,6 кА/м). Следовательно, создание постоянного магнитного поля Н, величина которого больше 13,5 кА/м (40,6/3 кА/м), обеспечит насыщение намагничивания образца любого феррита. Верхняя граница постоянного магнитного поля H определяется габаритами и мощностью магнитной системы. В качестве верхней границы величины H целесообразно выбрать значение (5-10)·13,5 кА/м. Образец феррита устанавливают в прорези полюсных наконечников магнитной системы ИБ 3. Размещают рядом с поверхностью образца феррита по меньшей мере два преобразователя 14, образующих с образцом линию задержки или фильтр. Намагничивают образец феррита в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н>13.5 кА/м по направлению, параллельному поверхности образца феррита. Намагнитив образец феррита постоянным магнитным полем H, на преобразователи 14 подают СВЧ-энергию с помощью ГКЧ 2. ИНД 1 измеряют амплитудно-частотную характеристику упомянутой линии задержки или фильтра. Основное конструктивное отличие фильтра от линии задержки в меньшем расстоянии между преобразователями, как правило, в наличии металлического экрана, расположенного между преобразователями параллельно поверхности ферритового слоя. При этом механизмом 17 регулировки связи устанавливают такое расстояние между преобразователями 14 поверхностью образца феррита, при котором преобразователи 14 не оказывают влияния на частотное положение наблюдаемого резкого провала на АЧХ. С помощью Ч 4 определяют на измеренной амплитудно-частотной характеристике величину частоты f, при которой наблюдается полюс отражения СВЧ-энергии, ближайший к полосе пропускания. Используя измеренные величины Н и f, по формуле (3) определяют намагниченность насыщения M образца феррита.
е
0
и
Пример 1. Эпитаксиальную структуру ЖИГ толщиной 11 мкм и диаметром 76 мм устанавливали в прорези полюсных наконечников магнитной системы. Размещали рядом с поверхностью образца феррита два преобразователя, образующих с образцом линию задержки. Намагничивали образец феррита в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н=193.4 кА/м (2430 Э) по направлению, параллельному поверхности образца феррита. Намагнитив образец феррита постоянным магнитным полем Н, на преобразователи подавали СВЧ-энергию с помощью ГКЧ. Измеряли амплитудно-частотную характеристику линии задержки (см. фиг.4). На амплитудно-частотной характеристике измерили частоту f ближайшего полюса затухания к полосе пропускания 8 972 МГц. По формуле (3) рассчитали намагниченность насыщения, которая оказалась равной 139,9 кА/м (1757 Гс).
е
0
и
Пример 2. Эпитаксиальную структуру из Ga замещенного железоиттриевого граната толщиной 8 мкм и диаметром 76 мм устанавливали в прорези полюсных наконечников магнитной системы. Размещали рядом с поверхностью образца феррита два преобразователя, образующих с образцом фильтр. Намагничивали образец феррита в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н=193.4 кА/м (2430 Э) по направлению, параллельному поверхности образца феррита. Намагнитив образец феррита постоянным магнитным полем Н, на преобразователи подают СВЧ-энергию с помощью ГКЧ. Измеряли амплитудно-частотную характеристику линии задержки (см. фиг.5). На амплитудно-частотной характеристике измерили частоту f ближайшего полюса затухания к полосе пропускания 7734 МГц. По формуле (3) рассчитали намагниченность насыщения, которая оказалась равной 54,2 кА/м (680 Гс).
3
е
0
и
Пример 3. Ферритовую пластина размером 40×30×0,4 ммполикристаллического массивного образца из феррита никель-цинковой шпинели устанавливали в прорези полюсных наконечников магнитной системы. Размещали рядом с поверхностью образца феррита два преобразователя, образующих с образцом фильтр. Намагничивали образец феррита в однородном стороннем магнитном поле напряженностью Н=193.4 кА/м (2430 Э) по направлению, параллельному поверхности образца феррита. Намагнитив образец феррита постоянным магнитным полем H, на преобразователи подают СВЧ-энергию с помощью ГКЧ. Измеряли амплитудно-частотную характеристику линии задержки (см. фиг.5). На амплитудно-частотной характеристике измерили частоту f ближайшего полюса затухания к полосе пропускания 11296 МГц. По формуле (3) рассчитали намагниченность насыщения, которая оказалась равной 335 кА/м (4207 Гс).