СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1998 года по МПК G01R33/32 

Изобретение относится к технике измерений переменных и постоянных величин магнитных полей и может быть использовано для создания на его основе магнитооптических приборов.

Известен способ измерения магнитного поля путем воздействия исследуемого магнитного поля на пластину из магнитооптического материала, освещения ее и получения с помощью магнитооптического эффекта изображения магнитной структуры пластины, соответствующей исследуемому магнитному полю (авторское свидетельство СССР N 1499293, G 01 R 33/032, опубл. 7.08.89).

В этом способе с целью повышения чувствительности (уменьшения порога обнаружения) на пластину дополнительно воздействуют постоянным магнитным полем, которое прикладывают в плоскости пластины перпендикулярно направлению измеряемого магнитного поля; одновременно для осуществления измерений регистрируют интенсивность плоскополяризованного света, последовательно прошедшего через магнитоодноосную пластину и анализатор, по которой определяют напряженность и направление измеряемого магнитного поля.

Ограничениями этого способа при получении оптического изображения магнитного поля являются: необходимость создания дополнительного сильного магнитного поля, что усложняет реализацию способа, а во многих случаях, например при исследованиях магнитных полей от магнитной записи, является недопустимым, для малых величин измеряемых магнитных полей (H_изм близких к 0) амплитуда магнитооптического сигнала, определяемая отношением измеряемого поля H_изм к величине анизотропии материала K_a, отличной от нуля, стремится к нулю, что приводит к снижению магнитооптического сигнала до минимальных величин, практически незначимых.

Наиболее близким техническим решением является способ получения оптического изображения магнитного поля путем воздействия исследуемого магнитного поля на пластину из магнитооптического материала, освещения ее и получения с помощью магнитооптического эффекта изображения магнитной структуры пластины, соответствующей исследуемому магнитному полю. Дудоров В.Н., Рандошкин В. В. "Визуализатор магнитных полей", журнал "Приборы и техника эксперимента", М. 1994, N 3, с. 193 - 195.

В этом способе визуализация доменной структуры осуществляется с помощью магнитооптического эффекта Фарадея, а регистрируют интенсивность плоскополяризованного света при его отражении от зеркального слоя, дополнительно нанесенного на пластину. Анализатор устанавливается так, чтобы свет при прохождении через домены с одним направлением намагниченности гасился, а с противоположным проходил.

Ограничением способа при получении оптического изображения магнитного поля является низкая величина чувствительности к воздействию слабого магнитного поля со сложной пространственной структурой, поскольку чувствительность к магнитному полю определяется и ограничена коэрцитивностью H_c (всегда отличном от нуля в многодоменных магнитных материалах, из которых выполнена пластина), а пространственная чувствительность ограничивается размерами доменов, определяемых величинами константы обмена A, магнитной анизотропии K_a, намагниченностью насыщения M_s, т. е. величинами конечными и отличными от нуля.

Задача, решаемая изобретением - повышение качества оптического изображения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - увеличение чувствительности к воздействию слабого магнитного поля со сложной пространственной структурой.

Для решения поставленной задачи в известном способе получения оптического изображения магнитного поля путем воздействия исследуемого магнитного поля на пластину из магнитооптического материала, освещения ее и получения с помощью магнитооптического эффекта изображения магнитной структуры пластины, соответствующей исследуемому магнитному полю, согласно изобретению одновременно с воздействием исследуемым магнитным полем пластину охлаждают от температуры выше температуры магнитного упорядочивания до температуры ниже магнитного упорядочивания, а получение изображения осуществляют при температуре ниже температуры магнитного упорядочивания.

Возможны варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы
перед охлаждением пластину нагревали бы выше температуры магнитного упорядочивания;
пластина была бы выполнена из магнитооптического материала, коэрцитивность которого больше намагниченности насыщения;
пластина была бы выполнена из магнитооптического материала, обладающего магнитной анизотропией.

Как и известные способы получения оптического изображения магнитного поля, предлагаемый способ позволяет определить характеристики исследуемого магнитного поля одновременно во множестве точек пластины, пространственное расположение которых определяется геометрической формой пластины из магнитооптического материала.

Основной характеристикой при осуществлении способа является магнитооптическая чувствительность, определяемая соотношением следующих величин:
1) магнитной чувствительности, включающей
а) полевую магнитную чувствительность, т. е. чувствительность к слабым магнитным полям; б) пространственную магнитную чувствительность, т. е. геометрическое разрешение сложной пространственной структуры исследуемого магнитного поля;
2) оптической эффективности, т. е. амплитуды оптического сигнала.

Получение оптического изображения магнитного поля включает в себя два процесса, в известных способах неразделяемые в пространстве и времени
процесс намагничивания, т. е. процесс перестройки собственной магнитной структуры пластины;
процесс получения изображения собственной магнитной структуры, т.е. процесс взаимодействия светового потока при освещении пластины и получение изображения посредством магнитооптических эффектов в поляризованном или монохроматическом свете.

Оптическая эффективность пропорциональна удельной величине магнитооптического эффекта Φ_f; полевая чувствительность e ограничивается коэрционностью H_c; пространственная чувствительность Λ определяется константой обмена A; и на полевую и на пространственную чувствительность отрицательное влияние оказывают собственные магнитные поля рассеивания B_i всего чувствительного элемента - пластины (пропорциональные намагниченности насыщения M_s и магнитная анизотропия K_a.

При нагреве практически используемых магнитооптических материалов до температуры магнитного упорядочивания T_c (или выше) указанные величины практически обращаются в ноль: при T = T_c: Φ_f = 0; e = 0; Λ = 0; A = 0; H_c = 0; M_s = 0; B_i = 0 (чтобы B_i = 0 необходимо нагреть до T = T_c всю пластину).

Так как в известных способах процессы намагничивания и получения изображения не разделяют или по крайней мере проводят при одной температуре, то нагрев плаcтины до T = T_c не дает положительного эффекта, т. к. несмотря на устранение влияния H_c, A, M_s, B_i, K_a, полезный сигнал (пропорциональный Φ_f) падает до значений, меньших фоновой шумовой засветки оптической системы.

Особенностью настоящего изобретения является разделение во времени операций намагничивания и получения изображения, а также осуществление этих операций при различных температурах: намагничивание - при T = T_c, а получение изображения при T меньше чем T_c.

Практически это осуществляют путем однородного охлаждения пластины (при необходимости предварительно нагретой) от температур выше T_c до температур ниже T_c при одновременном воздействии исследуемым магнитным полем. Освещение можно осуществлять как постоянно, так и только после охлаждения, так как изображение исследуемого магнитного поля появляется только при T < T_c.

Как показали исследования, пластина может быть изготовлена из монокристаллического, поликристаллического, аморфного или композиционного материала.

В вариантах осуществления изобретения дополнительный эффект достигается при использовании материала с повышенной коэрцитивностью, поскольку коэрцитивность в предлагаемом способе не влияет на чувствительность, зато при T < T_c повышенная коэрцитивность устраняет воздействие паразитных магнитных полей на магнитную структуру, и изображение соответствует распределению магнитного поля в конкретный момент времени, а именно в момент перехода температуры через значение температуры T_c; этот момент определяется управлением режимов нагрева и охлаждения.

Если пластину выполнить из материала с магнитной анизотропией, то можно варьировать чувствительность к различным пространственным компонентам магнитного поля.

Пример 1. Пластина из магнитооптического материала состава: (B_i, Lu, Y)₃ (Fe, Ga, Sc)₅O₁₂;
Толщина пластины h = 2 - 3 мкм, намагниченность насыщения M_s = 100 - 120 Э, коэрцитивность H_c = 40 - 50 Э, температура магнитного упорядочивания T_c = 10^oC.

Для обеспечения изменения температурного режима применяют термокамеру с проточным теплоносителем. Всю измерительную систему располагают таким образом, чтобы пластина из магнитооптического материала находилась в исследуемой области магнитного поля, после чего пластину равномерно охлаждают до температуры t_набл приблизительно равной 0^oC с помощью холодной жидкости-теплоносителя. При переходе процесса через точку t = T_c каждый микроскопический участок пластины намагничивается в направлении локального внешнего измеряемого магнитного поля. Если исследуемое магнитное поле имеет различное направление по площади пластины, то и ее намагничивание происходит соответствующим (различным) образом.

Магнитную структуру пластины анализируют с помощью наблюдения в отраженном или проходящем свете при t_набл около 0^oC. Способ позволяет получить магнитооптическое изображение слабого пространственно распределенного магнитного поля с величиной H_изм < H_c, то есть чувствительность не ограничивается величиной коэрцитивности материала пластины.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что пластина выполнена из указанного в примере 1 материала с другим соотношением элементов, при котором температура магнитного упорядочивания T_c = 80^oC, а другие параметры, в частности M_s и H_c, сохранены.

Посредством термокамеры температуру пластины вначале повышают до T около 100^oC, а потом одновременно с воздействием исследуемым полем снижают до t_набл = 18 - 22^oC.

Положительным качеством такого получения изображения является то, что осуществить способ в этом случае проще, поскольку после нагрева пластины и ее охлаждения наблюдения проводят при нормальных температурных условиях.

Пример 3. Отличается от примера 2 тем, что пластина выполнена из указанного в примере 1 материала с другим соотношением элементов, при котором M_s = 10 - 20 Э, H_c = 400 - 500 Э, а T_c = 80^oC, как и в примере 2.

Положительное качество по отношению к примеру 2 заключается в снижении влияния полей рассеивания пластины на собственную магнитную структуру за счет выбора величины H_c >> M_s.

Пример 4. Пластина выполнена из магнитооптического материала с той же общей структурной формулой и отличается от примеров 1 и/или 2, и/или 3 тем, что она имеет магнитную анизотропию типа "легкая ось", ориентированную ортогонально плоскости пластины.

В результате применения указанного типа пластины чувствительность к плоскостной компоненте магнитного поля ослабевает, а способ позволяет регистрировать и анализировать изображение одной компоненты поля, ориентированной ортогонально плоскости пластины. Такое выполнение пластины необходимо, например, при решении задач определения отклонения магнитного поля от заданного направления.

Наиболее успешно заявленный способ может быть использован при топографировании пространственно неоднородных магнитных полей, при создании устройств магнитной записи информации, а также для разработки на основе этого способа различных магнитооптических приборов: модуляторов, дефлекторов и др.

Способ получения оптического изображения магнитного поля может быть использован в области измерений постоянных и переменных магнитных полей и позволяет увеличить чувствительность к воздействию слабого магнитного поля со сложной пространственной структурой. Способ включает получение с помощью магнитооптического эффекта изображения структуры пластины. При воздействии исследуемым магнитным полем пластину охлаждают от температуры выше температуры магнитного упорядочивания до температуры ниже магнитного упорядочивания, а получение изображения осуществляют при температуре ниже температуры магнитного упорядочивания. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ получения оптического изображения магнитного поля путем воздействия исследуемого магнитного поля на пластину из магнитооптического материала, освещения ее и получения с помощью магнитооптического эффекта изображения магнитной структуры пластины, соответствующей исследуемому магнитному полю, отличающийся тем, что при воздействии исследуемым магнитным полем пластину охлаждают от температуры выше температуры магнитного упорядочивания до температуры ниже температуры магнитного упорядочивания, а получение изображения осуществляют при температуре ниже температуры магнитного упорядочивания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед охлаждением пластину нагревают выше температуры магнитного упорядочивания. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена из материала, коэрцитивность которого больше намагниченности насыщения. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена из материала, обладающего магнитной анизотропией.