Магнитометр Советский патент 1990 года по МПК G01R33/32 

Изобретение относится к магнитоизме- рительной технике и предназначено для измерения характеристик различных классов ферромагнетиков, приготовленных в виде тонких пленок, фолы и пластин.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей магнитооптического магнитометра и повышение точности измерения поверхностных и объемных магнитных характеристик образцов.

На фиг, 1 представлена структурная схема магнитометра; на фиг.2 - кварцевый кристалл-датчик крутящего момента.

Магнитометр содержит электромагнит 1 с размещенными в его зазоре образцом 2 и преобразователем 3 Холла. Выход преобразователя 3 Холла подключен к входу уси- лителя 4. Обмотка электромагнита подключена к источнику 5 тока электромагнита. Один из полюсов электромагнита имеет продольное осевое отверстие для прохождения луча света. Электромагнит 1 установлен на вращающейся вокруг вертикальной оси платформе 6. Вращение платформы осуществляется с помощью электродвигателя 7, управляемого с помощью устройства 8. Угол поворота платформы измеряется датчиком 9. Источник 10 излучения оптически последовательно соединен через поляризатор 11, оптический компенсатор 12, полупрозрачное зеркало 13 и отверстие в полюсе электромагнита с образцом 2. Последний через полупрозрачное зеркало 13, оптический модулятор 14 и анализатор 15 оптически соединен с фотоприемником 16.

С фотоприемником 16 электрически соединен синхронный детектор 17, к входу опорного сигнала которого подключен выход генератора 18 модуляционного тока, а выход соединен с управляемым источником 19 тока компенсатора, подключенным к обмотке соленоида компенсатора 12. Обмотка модулятора 14 соединена с генератором 18 переменного тока. К обмотке соленоида компенсатора подключен опорный резистор 20, общая точка резистора 20 и соленоида компенсатора 12, а также выходы усилителя 4, датчика 9, входы устройства 8 и источника 5 тока электромагнита подключены к ЭВМ 21, в состав которой входят графический дисплей 22 и двухкоординат- ный самописец 23.

Устройство содержит также измерительную торсионную головку, содержащую кристалл-датчик 24 магнитного момента и электрометрический усилитель 25. На одном конце кристалла-датчика 24 неподвижно закреплен образец 2 так, что его

плоскость перпендикулярна продольной оси отверстия в полюсе электромагнита. Второй конец кристалла-датчика 24 закреплен неподвижно. Электроды кристалла соединены попарно «ерез один и подключены

к входу электрометрического усилителя 25, выход которого подключен к ЭВМ 21.

Кристалл-датчик магнитного момента (фиг.2) представляет собой пьезокристалл кзарца, вырезанный в виде правильной

восьмигранной призмы. Продольная ось кристалла направлена вдоль оси X. На грани призмы, ориентированные под углами 45° к оси Y, нанесены электроды. Электроды соединены попарно через один и подключены

к входу электрометрического усилителя.

Магнитометр работает следующим образом.

Для измерения магнитных характеристик поверхностных слоев ферромагнетиков служит магнитооптическая часть установки, информация о свойствах образца получается при измерении магнитооптической петли гистерезиса с помощью полярного эффекта Керра. Для этого электромагнит 1, установленный на платформе 6, с помощью двигателя 7, управляемого от ЭВМ 21 через устройство 8, устанавливается в начальное положение, при котором световой поток линейно поляризованного

излучения от источника 10-излучения через оптические элементы 11-13 попадает в отверстие в полюсе электромагнита и на образец, а отразившись от образца, - обратно через отверстие и оптические элементы

13 - 15 на фотоприемник 16. На обмотку модулятора 14 подается модуляционный сигнал с генератора 18. В отсутствии пере- магничивающего поля поляризатор 11 и анализатор 15 находятся в скрещенном положении - положении гашения. В этом положении азимутальная модуляция плоскости поляризации излучения с помощью модулятора 14 приводит к появлению на фотоприемнике 16 сигнала удвоенной частоты модуляции. При намагничивании образца 2 происходит отклонение плоскости поляризации излучения от положения гашения. В спектре сигнала фотоприемника 16 появляется сигнал первой гармоники частоты модуляции, амплитуда которого пропорциональна углу 9k поворота плоскости поляризации излучения. Этот сигнал детектируется с помощью синхронного детектора 17, на вход опорного сигнала которого подается опорный сигнал с генератора 18. По- стоянное напряжение с выхода синхронного детектора 17 подается на управляемый источник 19 тока компенсатора 12. Угол поворота плоскости поляризации излучения в рабочем теле компенсатора равен по величине и противоположен по знаку угла поворота за счет намагниченного образца. Таким образом, в системе автоматически устанавливается и поддерживается положение гашения. Напряжение, пропорциональное току компенсации, снимается с опорного резистора 20 и подается на вход ЭВМ 21. Ток компенсации при этом пропорционален углу вь вращения плоскости поляризации, который в свою очередь пропорционален намагниченности насыщения образца. Коэффициент пропорциональности представляет собой постоянную компенсатора 12. Сигнал, пропорциональный значению напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита, с преобразователя 3 магнитного поля в электрический сигнал через усилитель 4 также подается на вход ЭВМ 21. Таким образом, ЭВМ 21 регистрирует зависимость угла вь вращения плоскости поляризации излучения, обусловленного свойствами образца, от величины перемагничивающего поля Н, т.е. магнитооптическую петлю гистерезиса. Обсчет петли на ЭВМ позволяет определить такие характеристики поверхностных слоев образцов с перпендикулярной магнитной анизотропией (ПМА), как константа поверхностной ПМА, коэрцитивная сила Нс, поле насыщения и ряд других, а для образцов магнитномягких материалов - дополнительно намагниченность насыщения Мр.

Для измерения объемных магнитных характеристик образцов служит измерительная торсионная головка, содержащая кристалл-датчик 24 магнитного момента и электрометрический усилитель 25, При выполнении этих измерений снимаются так называемые торсионные кривые, т.е. зави0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

симости величины крутящего механического момента L образца от угла / поворота магнитного поля относительно плоскости образца при разных значениях величины напряженности Н магнитного поля. Для выполнения измерений зависимости L f $) с ЭВМ 21 подается ряд команд, по которым производится установка определенного значения величины поля Н в зазоре электромагнита с помощью источника 5 тока электромагнита, включается устройство 8 управления двигателем 7, вращающим платформу 6 с электромагнитом 1, отключается магнитооптический канал измерения, включается канал измерения зависимости L f (($}. После снятия зависимости U f (/) при значении Н Hi ЭВМ устанавливает значение Н Н2, и цикл измерения La f (/3) при Н Н2 повторяется. После проведения необходимого числа циклов измерения ЭВМ производит обработку массива полученных данных, т.е. серии зависимостей U f (/3) при Н Hi, и расчет таких характеристик образцов, как константа объемной ПМА и намагниченность насыщения Мр.

В процессе выполнения измерений зависимости 9 т (Н) и L f (/3), а также результаты расчета магнитных характеристик могут отображаться на экране дисплея 22 и выводятся на ленту двухкоординат- ного самописца 23

Экспериментальные исследования показали, что по сравнению с известным пред- лаоемый магнитометр является универсальной установкой, позволяющей измерять как поверхностные, так и объемные магнитные характеристики ферромагнетиков. Точность выполнения измерений в 1,5-2 раза выше. Применение в качестве датчика крутящего момента кварцевой призмы, а не традиционной упругой нити позволяет повысить помехозащищенность измерительной торсионной головки, воспроизводимость и стабильность измерений и, как следствие, точность измерений.

Подобные измерения весьма информативны при исследовании ферромагнетиков, у которых химический состав приповерхностных слоев отличается от состава остального объема. Это, в частности, может иметь место в тонких ферромагнитных пленках с ПМА типа Со - Сг, в многослойных структурах, имплантированных слоях, в пленках, подвергнутых диффузионному термо- или лазерному отжигам и т.д.

Формула изобретения

1. Магнитометр, содержащий электромагнит с источником тока, преобразователь напряженности магнитного поля в электрический сигнал с усилителем, размещенный в зазоре электромагнита, оптически соединенный через отверстие в полюсе электромагнита, полупрозрачное зеркало и поляризатор с источником излучения, анализатор и фотоприемник, отличающий- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения объемных характеристик ферромагнетиков и повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные кристалл-датчик магнитного момента, электрический усилитель и регистратор, последовательно соединенные генератор переменного тока модулятора, синхронный детектор, управляемый источник тока компенсатора и компенсатор, опорный резистор, последовательно соединенные блок управления и электродвигатель, а также датчик угла поворота платформы электромагнита, при этом электромагнит установлен на вращающейся платформе, соединенной с двигателем, на вертикальном валу которой установлен датчик угла ее поворота, между поляризатором и полупрозрачным зеркалом и между анализатором и полупрозрачным зеркалом установлены оптически связанные с ними

соответственно оптические, компенсатор и модулятор, выход фотоприемника подключен к второму входу синхронного детектора, своим выходом соединенного с входом источника тока компенсатора, при этом обмотка соленоида модулятора подключена к генератору переменного тока модулятора, обмотка компенсатора - к источнику тока компенсатора и опорному резистору, а выходы усилителя преобразователя напряженности магнитного поля в электрический сигнал, опорного резистора, датчика угла поворота платформы электромагнита, электрометрического усилителя, а также входы

источника тока электромагнита, блока управления двигателем подключены к регистратору.

2. Магнитометр по п.1,отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения

помехозащищенности, воспроизводимости и стабильности измерений, кристалл-датчик выполнен в виде правильной восьмигранной призмы из пьезокристалла кварца с продольной осью, направленной вдоль оси

X, и двумя парами электродов, нанесенными на грани призмы, ориентированные под углами 45° к оси Y, причем электроды соединены попарно через один.

X

9иг.2

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и предназначено для измерения характеристик ферромагнетиков. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений. Магнитометр содержит электромагнит с источником тока, преобразователь напряженности магнитного поля в электрический сигнал с усилителем, размещенный в зазоре электромагнита, оптически соединенный через отверстие в полюсе электромагнита, полупрозрачное зеркало и поляризатор с источником излучения, анализатор и фотоприемник. В него введены последовательно соединенные кристалл-датчик магнитного момента, электрический усилитель и регистратор, последовательно соединенные генератор переменного тока модулятора, синхронный детектор, управляемый источник тока компенсатора и компенсатор, опорный резистор, последовательно соединенные длок упраления и электродвигатель, а также датчик угла поворота платформы электромагнита. Кристалл-датчик выполнен в виде правильной восьмигранной призмы из пьезокристалла кварца с продольной осью, направленной вдоль оси Х, и двумя парами электродов, нанесенными на грани призмы, ориентированные под углами 45° к оси γ, причем электроды соединены попарно через один. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.