Устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в электронике для измерения магнитных полей зарождения доменной границы аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ) и определения отношения намагниченности АФМ к константе магнитострикции и амплитуды закалочных напряжений. Устройство содержит исследуемый АФМ, размещенный в соленоиде, формирователь регулируемого постоянного тока, катушку зарождения домена, две последовательно соединенные приемные катушки, растягивающий груз. Особенность устройства заключается в том, что он снабжен формирователем пилообразного тока, усилителем, платой управления и сбора данных и персональным компьютером, при этом основная часть АФМ намотана на бобину, закрепленную на оси управляемого шагового двигателя, а его исследуемая часть проходит через стеклянный микрокапилляр. Благодаря уменьшению размеров катушки зарождения домена и детально раскрытым в описании другим особенностям устройства, обеспечивается повышение информативности за счет увеличения локальности измерения магнитного поля зарождения доменной границы.

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.

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_с<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_s, константу магнитострикции _s, амплитуду закалочных напряжений (_zz-), величину магнитного поля зарождения доменных границ Н_n, скорость доменной границы V _dw и ее подвижность , величину порогового магнитного поля распространения доменных границ H_a-th.

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 V_dw движения ДГ в зависимости от амплитуды внешнего ускоряющего магнитного поля, т.е. определить среднюю по АФМ подвижность 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

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_a-th 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.

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 _s АФМ.

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 _s 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_а (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_а ДГ начинают двигаться в противоположных направлениях. При этом одна из ДГ проходит через приемные катушки, в которых создается сигнал ЭДС, поступающий на регистратор.

Недостатком прототипа являются его ограниченные функциональные возможности, позволяющие измерять только усредненную по длине 10 см скорость прохождения ДГ и определять подвижность при различных продольных механических растяжениях _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_dw и подвижности =V_dw/Н_а) также обеспечение возможности измерения магнитного поля зарождения ДГ Н_n при различных величинах продольного _s и углового механических растяжений . После чего, используя полученные значения Н _n, _s и , вычисляют величину отношения намагниченности провода M_s к константе магнитострикции

_s. и амплитуду закалочных напряжений (_zz-) исследуемого АФМ. Таким образом, в ходе измерений получают экспериментальные зависимости H_n(x _i, m_j, Н_а) и V_dw(x_i, m _j, Н_а), из которых с помощью специализированного ПО вычисляют по формулам (1) и (2), приведенным ниже, набор физических характеристик АФМ:

где _s - константа магнитострикции провода, M_s [А/м] - намагниченность насыщения, (_zz-) [Па]- разность компонент тензора закалочных напряжений, _арр [Па] - приложенное к проводу растягивающее напряжение, которое вычисляют по формуле:

Здесь m [кг] - масса малого груза, прикрепленного к нижнему концу провода, g - ускорение свободного падения, =d/D - отношение диаметра металлического кора к полному диаметру провода, R=D/2 - полный радиус провода, Е _m [Па] и E_g [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)

Из формул (1), (2) следует, что измеряя зависимость H_n (m), определяют отношение _s/M_s, а затем, зная поле зарождения ДГ в ненагруженном проводе, H _n(0),вычисляют амплитуду закалочных напряжений (_zz-). Намагниченность насыщения провода M _s определяют экспериментально независимо, например, из измерений на вибрационном магнитометре.

В предлагаемом решении по сравнению с прототипом преследуется цель повышения локальности измерения магнитного поля зарождения ДГ H _n, а значит, повышения информативности измерений. При этом выбор длины катушки зарождения домена определяет область зарождения ДГ и, следовательно, возможную локальность определения Н _n 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.

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 Fe ₇₄B₁₃Si₁₁C ₂ с внутренним диаметром ферромагнитной сердцевины d _m=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:

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 _а и дает команду «старт».

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_i, где i - 1, 2, ..., n, и дальнейшее удержание АФМ 3 в данном положении на время измерений.

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_а (˜1э), при этом его знак меняется на противоположный и фиксируется на время проведения измерения.

4. После включения в соленоиде 5 ускоряющего поля Н _а 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_а. 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_n, которое носит название магнитного поля зарождения ДГ и является одной из измеряемых нами величин.

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 t=(t₁-t₂) является следующей измеряемой величиной, позволяющей определять скорость ДГ в поле Н_а.

6. Измерение величин Н_n и t 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.

Таким образом, из совокупности измерений: параметра Н_а, величины подвешенного груза m, величины измеренного магнитного поля зарождения ДГ Н _n, времени прохождения импульсов (t₁ -t₂) получают основные физические характеристики АФМ - отношение намагниченности насыщения M_s , к константе магнитострикции _s, амплитуду закалочных напряжений (_zz-), скорость ДГ V_dw и подвижность . Все указанные характеристики определены в зависимости от координаты X_i 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_n 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.

Устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ), содержащее исследуемый АФМ, размещенный в соленоиде, подключенном к выходу формирователя регулируемого постоянного тока, катушку зарождения домена, две последовательно соединенные размещенные на заданном расстоянии друг от друга приемные катушки, груз, закрепленный на АФМ и обеспечивающий его продольное механическое растяжение, и регистратор, отличающееся тем, что АФМ помещен внутри стеклянного микрокапилляра, в устройство дополнительно введены бобина с АФМ, закрепленная на оси шагового двигателя, соединенного с выходом схемы управления шаговым двигателем; формирователь пилообразного тока, выход которого подключен к катушке зарождения домена; усилитель, вход которого соединен с приемными катушками; входы схемы управления шаговым двигателем, формирователя регулируемого постоянного тока, формирователя пилообразного тока и выход усилителя подключены соответственно к логическому выходу, выходам первого и второго цифроаналоговых преобразователей и входу аналого-цифрового преобразователя, размещенных в плате управления и сбора данных, соединенной через последовательный интерфейс с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера.