Спектрометр магнитного резонанса для изучения распределения магнитных центров по поверхности плоского образца Советский патент 1983 года по МПК G01N24/10 

1 Изобретение относится к технике магнитного резонанса и может быть использовано в приборостроительной промышленности при разработке устройств контроля параметров материалов, содержащих магнитные, центры , например ферромагнитных пленок желе зоиттриевых гранатов, структур с магнитными доменами, парамагнитных кристаллов.. Известен спектрометр магнитного резонанса, содержащий блок получени магнитного поля, блок регистрации сигнала резонанса и блок сверхвысо кой частоты ( СВЧ ) с измерительной ячейкой в виде объемного резонатора с устройством перемещения исследуемого образца внутри резонатора вдол его оси. Спектрометр обеспечивает возможность контролировать распреде ление магнитных центров по длине магнитного образца ограниченного сечения 1 Недостатком известного спектрометра являетсяНизкая чувствительность и разрешающая способность .к на личию магнитных центров. Наиболее близким техническим решением к изобретению является спект метр магнитного резонанса для изучения распределения магнитных центров по поверхности образца, содержащий блок СВЧ с измерительной ячейкой с отверстием в боковой стенке и расположенным снаружи напротив отверстия координатнь М столиком с исследуемым образцом 2j . Недостатком известного спектромет ра является низкая чувствительность при относительно высокой разрешающей способности. Повышение разрешающей способности регистрации распреде ления магнитных центров по поверхности плоского образца больших размеро обеспечивается в известном спектрометре с помощью уменьшения размеров излучающего отверстия в стенке объем ного резонатора и наружным по отношению к резонатору перемещением измеряемого образца, что однако приводит к уменьшению мощности СВЧ, подводимой к ограниченному участку образца, т.е. снижается кожффициент магнитного заполнения измерительной ячейки, и следовательно, уменьшается чувствительность спектрометра Целью изобретения является повышение чувствительности при высокой разрешающей способности. 4 Поставленная цель достигается тем, что в спектрометре магнитного резонанса для изучения распределения магнитных цетнров по поверхности плоского образца, содержащем блок СВЧ с измерительной ячейкой с отверстием в боковой стенке и расположенным снаружи напротив отверстия координатным столиком с исследуемым образцом, измерительная ячейка выполнена в виде замкнутого с одного конца прямоугольного волновода, а у отверстия, расположенного в широкой стенке волновода на половине волны от замкнутого конца, помещена изолированная от стенок волновода пластинка с высокой электропроводностью. .На фиг., 1 показана функциональная схема предлагаемого спектрометра, на фиг. 2 - распределение электрических и магнитных полей СВЧ у отверстия; на фиг. 3 и 4 - варианты конструктивной реализации боковой стенки измерительной ячейки с отверстием. Спектрометр содержит генератор СВЧ 1, циркулятор 2, детектор 3, широкую стенку 4 прямоугольного волновода с волной Н, , настроечный штырь 5i отверстие 6 на широкой стенке волновода, пластинку 7 с высокой электропроводностью, например, из меди, короткозамыкающий поршень 8, полюсные наконечники 9 электромагнита спектрометра, трехкоординатный столик 10 с возможностью перемещения по трем координатам относительнр отверстия 6с пластинкой 7, исследуемый плоский образец Tl, закрепленный на столике 10, изолирующую диэлектрическую пластину 12, контур 13 модуляции магнитного поля. Измерительная ячейка (фиг. 1) выполнена не в виде объемного резонатора, а в виде замкнутого с одного конца прямоугольного волновода, и отверстие 6 измерительной ячейки расположено на половине длины волны , от замкнутого поршнем 8 конца прямоугольного волновода на его широкой стенке 4 и содержит электропроводящую пластинку 7, изолированную от стенок волновода. На фиг. 2 показано образование . ри возбуждении колебаний типа Не аксимумом компоненты - .Н. на половие длины волны от залкнутогр конца олновода специфиче9кого малогабарит310ного резонатора СВЧ с сосредоточенной емкостью, возникающей между проводящей пластинкой 7 и широкой стенкой k волновода у краев отверстия 6, благодаря чему имеет место концентрация электрической компоненты Е поля СВЧ; Магнитная компонента Н поля СВЧ генератора 1 концентрируется при возбуждении волны вокруг металлической пластинки 7, т.е. в ограниченной части образца 11, и имеет направление, перпендикулярное направлению постоянного магнитного поля Н... что принципиально для реализации явг ления магнитного резонанса. Таким образом, в предлагаемом устройстве излучающим магнитное поле СВЧ элементом по существу является не отверстие,6 а малогабаритная проводящая пластин-. ка 7 вокруг которой концентрируется благодаря резонансу, большая часть энергии генератора СВЧ 1. . Проводящая пластинка 7(Фиг. 3) может закрепляться относительно отверстия 6 с помощью диэлектрической пластины 12, фиксируемой внутри волновода. На фиг. представлен вариан планарного крепления пластинки 7 на внешней поверхности волновода над отверстием .6, причём пластинка 7 и модуляционный контур 13 сформированы методом печатного монтажа на изолирующей диэлектрической пластинке 12. Спектрометр магнитного, резонанса работает следующим образом. Мощность СВЧ от генератора 1 фиг. 1) поступает через модулятор 2 в измерительную ячейку по волноводу и концентрируется в отверстии 6 у эпект(эопроводящей пластинки 7, сое-40

редотачиваясь в ограниченной части исследуемого плоского образца 11 вследствие образования единой малогабаритной резонансной системы: измеряемый участок образца 11 - отверстие . 6 с пластинкой 7..

Размеры излучающего отверстия 6 и пластинки 7 определя1ртся, исходя ) из требуемой ,разрешающе1Й способности, значения рабочей частоты генератора 1, диэлектрической и магнитной проницаемостей материала измеряемого образца 11, а также могут уточняться экспериментально в процессе настройки по максимальному поглощению мощности СВЧ минимуму тока детектора 3). Настройка указанной системы в резонанс с частотой генератора 1 с целью обеспечения оптимального

метра при высокой разрешающей способности.

Предлагаемое изобретение расширяет возможность контроля распределения магнитных центров в тонкослойных ферромагнитных и подобных им структурах, широко используемых, в современной СВЧ микроэлектронике и вычислительной технике. Кроме того, на основе предлагаемого решения возможно построение высокоэффективных малогабаритных измерительных ячеек для исследования конденсированных при низких температурах веществ, на пример атомарного водорода, непосредственно на проводящей пластинке излучателе, а также построения спектрои етров для регистрации фотомагнитных явлений. уровня поглощения СВЧ энергии в образце и оптимального тока детектора 3 осуи есТвляется. коррекцией зазора между поверхностью образца 11 и пластинкой 7 с прмощью столика 10 и регулировкой настроечного штыря 5 и короткозамкнутого поршня 8. Возникающее в ограниченном участке образца И напротив пластинки 7 явление магнитного резонанса, благодаря одновременному воздействию постоянного магнитного поля HQ в зазоре наконечников 9 и перпендикулярного к нему переменного поля СВЧ Н, рузывает поглощение мощности СВЧ в образце и фиксируется детектором 3. Регистрация распределения магнитных центров по плоскости образца 11 осуществляется с помощью перемещения координатного столика 10 в плоскости ух, совпадающей с широкой стенкой k волновода и параллельной полюсным наконечникам 9В отличие от известного устройства, в котором измерительная ячейка образована объемным резонатором с распределенной по его объему магнитной компонентной H;j и интенсивность компоненты Щ в месте расположения измеряемого образца у излучающего отверстия невысока, в предлагаемом устройстве магнитная энергия генератора СВЧ концентрируется в ограниченной части образца напротив проводящей пластинки - излучателя Н. Вследствие этого существенно возрастает эффективный коэффициент магнитного заполнения измерительной ячейки и тем самым обеспечивается повышение чувствительности спектроФцг.2

уууол.ууу/уЯ 1ляц/ Л l xxx/v oy«y w|/

УУУхУУУХ

i 2 | 2 IIIII ZII I 3IZi«Z2ZiZI ZZZii 2j3i

у УХ оХ ууух/х уо /гл /уУ у уСооУ/уууУ х;)О

и

Ф«г.5

Л

S1

мшмш ПнвмнИКмХмшм

Ьы

«л

f

й