ЦИФРОВОЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ФЕРРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПЕТЕЛЬ ГИСТЕРЕЗИСА ТОНКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНОК Российский патент 2024 года по МПК G01R33/14 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок.

Известно устройство, предназначенное для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных образцов [Патент РФ, №2743340, МПК G01R 33/14, опубл. 17.02.2021, бюл. №5]. Устройство содержит формирующие переменное магнитное поле развертки кольца Гельмгольца, токоизмерительный резистор, внешний опорный генератор, магниточувствительный элемент, фильтр нижних частот, аналогово-цифровой преобразователь, полосовой фильтр и цифровой интегратор. В центре колец Гельмгольца располагается магниточувствительный преобразователь, представляющий собой две катушки, расположенные в одной плоскости таким образом, что создаваемое кольцами Гельмгольца магнитное поле H направлено строго в плоскости катушек и исследуемого образца тонкой ферромагнитной пленки. Переменное магнитное поле H вызывает перемагничивание исследуемого образца. Создаваемое тонкой ферромагнитной пленкой магнитное поле рассеяния имеет максимум абсолютного значения вертикальной составляющей в области магниточувствительного преобразователя, причем встречное включение катушек магниточувствительного преобразователя позволяет суммировать противофазный полезный сигнал, создаваемый тонкой ферромагнитной пленкой в катушках магниточувствительного преобразователя.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является феррометр, предназначенный для определения динамических гистерезисных кривых магнитных сердечников в условиях периодического перемагничивания, в частности при подмагничивании постоянным магнитным полем [Авт. св-во СССР, №905893, МПК G01R 33/14, опубл. 15.02.1982, бюл. №6 (прототип)]. Устройство содержит магниточувствительный преобразователь, синхронный детектор, блок измерения постоянной составляющей напряжения, вход которого через синхронный детектор соединен с магниточувствительным преобразователем, последовательно соединенные внешний опорный генератор и фазовращатель, и формирователь управляющего прямоугольного напряжения, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, а выход с управляющим входом синхронного детектора.

Общим недостатком конструкции прототипа и известных устройств является низкая чувствительность, обусловленная влияниями низкочастотных шумов и используемой схемой измерения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности устройства для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в цифровом индукционном феррометре для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок, содержащем магниточувствительный преобразователь, синхронный детектор, блок измерения постоянной составляющей напряжения, вход которого через синхронный детектор соединен с магниточувствительным преобразователем, внешний опорный генератор, выход которого соединен с входом фазовращателя, а также с управляющим входом синхронного детектора, новым является то, что на выходе синхронного детектора, между опорным и измеряемым сигналами, установлен активный фазовый фильтр первого порядка, вход которого подключен через усилитель опорного сигнала к внешнему опорному генератору, а выход активного фазового фильтра первого порядка через усилитель соединен с кольцами Гельмгольца, подключенными последовательно с токоизмерительным резистором ко входу аналогово-цифрового преобразователя, при этом перемагничивающее поле H колец Гельмгольца направлено в плоскости измерительного столика и магниточувствительного преобразователя, состоящего из двух катушек, обмотки которых соединены встречно и расположены в одной плоскости, а измерительный столик расположен над катушками магниточувствительного преобразователя таким образом, что плоскость измерительного столика ортогональна осям катушек магниточувствительного преобразователя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается использованием в качестве фазовращателя активного фазового фильтра первого порядка, а также применением магниточувствительного преобразователя, представляющего собой две одинаковые катушки, расположенные в одной плоскости с включенными во встречном направлении обмотками.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами. На фигуре 1 изображена функциональная схема цифрового индукционного феррометра для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок. На фигуре 2 показана измерительная часть устройства с образцом тонкой ферромагнитной пленки, расположенной на катушках магниточувствительного преобразователя. На фигуре 3 показаны экспериментально полученные осциллограммы сигнала восстановленного с помощью синхронного детектора, а также дифференциальная и интегральная кривые регистрируемой петли гистерезиса.

Цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок содержит (фигура 1) магниточувствительный преобразователь (1) с расположенным над катушками магниточувствительного преобразователя измерительным столиком (2) с исследуемым образцом тонкой магнитной пленки, находящиеся в центре однородного перемагничивающего поля H, между кольцами Гельмгольца (3). При этом перемагничивающее поле H направленно в плоскости образца тонкой ферромагнитной пленки. Выход магниточувствительного преобразователя (1) через дифференциальный усилитель (4) подключен к входу синхронного детектора (5). Второй (опорный) вход синхронного детектора (5) соединен с внешним опорным генератором (6). Выход внешнего опорного генератора (6), для установки разности фаз между опорным и полезным сигналами первой гармоники спектра в ноль, подключен к активному фазовому фильтру первого порядка (7). Выход активного фазового фильтра первого порядка (7) соединен с усилителем опорного сигнала (8), нагрузкой которого являются кольца Гельмгольца (3), формирующие перемагничивающее поле H. Токоизмерительный резистор (9) соединен последовательно с кольцами Гельмгольца (3) и параллельно подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (10), предназначенного для измерения величины протекающего в кольцах Гельмгольца (3) тока, регистрируемого персональным компьютером (11).

Цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок работает следующим образом (фигура 1). Сигнал от внешнего опорного генератора (6) через активный фазовый фильтр первого порядка (7) и усилитель опорного сигнала (8) поступает в кольца Гельмгольца (3), создающие перемагничивающее поле H в области, где расположен измерительный столик (2) с исследуемым образцом тонкой ферромагнитной пленки и магниточувствительный преобразователь (1). Перед проведением измерений на синхронном детекторе (5) устанавливают разность фаз между сигналом с выхода магниточувствительного преобразователя (1) без образца тонкой ферромагнитной пленки и внешним опорным генератором (6) для первой гармоники сигнала в ноль, путем подстройки фазы активным фазовым фильтром первого порядка (7). Таким образом обеспечивается компенсация разности фаз для всех измеряемых гармоник в спектре сигнала на выходе синхронного детектора (5). Исследуемый образец тонкой ферромагнитной пленки размещают на измерительном столике (2) (фигура 2) вблизи поверхности катушек магниточувствительного преобразователя (1), который вместе с кольцами Гельмгольца (3) зафиксирован на основании (12). Под воздействием перемагничивающего поля H на исследуемый образец тонкой ферромагнитной пленки в катушках магниточувствительного преобразователя (1) создается сигнал рассогласования, регистрируемый (фиг. 1) синхронным детектором (5). Данные (фигура 1) с синхронного детектора (5) и аналого-цифрового преобразователя (10), поступают в персональный компьютер (11), где для восстановления сигнала во временной области, измеренного синхронным детектором (5), необходимо воспользоваться обратным преобразованием Фурье.

Для подтверждения заявленного технического результата был изготовлен цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок. На фигуре 3 показаны восстановленный во временной области сигнал (а), измеренный синхронным детектором, дифференциальная (б) и интегральная (в) кривые регистрируемой петли гистерезиса, полученные от образца тонкой ферромагнитной пленки, состава Ni₈₀Fe₂₀ толщиной 100 Å для 120 измеренных гармоник сигнала, вдоль легкой оси намагничивания.

Экспериментальные результаты, полученные с использованием заявляемого цифрового индукционного феррометра для регистрации петель гистерезиса, показывают, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип), заявляемое устройство имеет более высокую чувствительность и низкий уровень шумов.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок. На выходе синхронного детектора, между опорным и измеряемым сигналами, установлен активный фазовый фильтр первого порядка, вход которого подключен через усилитель опорного сигнала к внешнему опорному генератору, а выход активного фазового фильтра первого порядка через усилитель соединен с кольцами Гельмгольца, подключенными последовательно с токоизмерительным резистором к входу аналогово-цифрового преобразователя, при этом перемагничивающее поле H направлено в плоскости измерительного столика и магниточувствительного преобразователя, состоящего из двух катушек, обмотки которых соединены встречно и расположены в одной плоскости, а измерительный столик расположен над катушками магниточувствительного преобразователя таким образом, что плоскость измерительного столика ортогональна осям катушек магниточувствительного преобразователя. Технический результат - повышение чувствительности устройства. 3 ил.

Цифровой индукционный феррометр для регистрации петель гистерезиса тонких ферромагнитных пленок, содержащий магниточувствительный преобразователь, синхронный детектор, блок измерения постоянной составляющей напряжения, вход которого через синхронный детектор соединен с магниточувствительным преобразователем, внешний опорный генератор, выход которого соединен с входом фазовращателя, а также с управляющим входом синхронного детектора, отличающийся тем, что на выходе синхронного детектора, между опорным и измеряемым сигналами, установлен активный фазовый фильтр первого порядка, вход которого подключен через усилитель опорного сигнала к внешнему опорному генератору, а выход активного фазового фильтра первого порядка через усилитель соединен с кольцами Гельмгольца, подключенными последовательно с токоизмерительным резистором к входу аналогово-цифрового преобразователя, при этом перемагничивающее поле H направлено в плоскости измерительного столика и магниточувствительного преобразователя, состоящего из двух катушек, обмотки которых соединены встречно и расположены в одной плоскости, а измерительный столик расположен над катушками магниточувствительного преобразователя таким образом, что плоскость измерительного столика ортогональна осям катушек магниточувствительного преобразователя.