Способ визуализации магнитных полей Советский патент 1992 года по МПК G01R33/32 

Изобретение относится к области визуализации и топографировании магнитных полей и может быть использовано для контроля качества сверхпроводящих материалов, в том числе и высокотемпературных сверхпроводников, приготовленных в виде керамик, монокристаллов и пленок, путем обнаружения в них областей сверхпроводящих и нормальных фаз.

Известен способ визуализации структур магнитного потока в низкотемпературных сверхпроводниках, заключающийся в использовании зависимости от локального магнитного поля фарадеевского вращения плоскости поляризации отраженного света в изготовленных на поверхностях сверхпроводника вакуумным напылением

о

тонких (2000 А) композитных магнитооптических парамагнитных пленок смеси EuS и EuFa с оптимальной долей примеси EuF2 10-60 мас.%.

Недостатком этого способа является особая сложность нанесения в высоком вакууме магнитооптических покрытий определенной строго заданной толщины и состава, а также ослабление в этих пленках магнитооптического контраста за счет уменьшения эффекта Фарадея как при повышении температуры исследования выше 10-20 К, так и уменьшения амплитуды локальных полей меньше 1 кЭ. Поэтому этот способ не применим для исследования структур магнитных потоков в высокотемпературных сверхпроводниках при температурах выше 20 К.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ визуализации магнитных полей объектов с помощью магнитооптического ферромагнитного пленочного датчика, заключающийся в освещении магнитооптического ферромагнитного пленочного датчика, помещенного над исследуемым объектом, имеющим собственное магнитное поле, параллельным поляризованным пучком света и получении с помощью анализатора видимой картины доменной структуры пленочного датчика в отраженном или прошедшем через него параллельном пучке света, и по изменению конфигурации магнитной доменной структуры в пленочном датчике по сравнению с его исходной равновесной доменной структурой судят о неоднородности магнитных полей рассеяния, возникающих вокруг исследуемых магнитных объектов. Для получения топограммы линий равной напряженности на пленочный датчик воздействуют внешним управляющим магнитным полем.

Недостаток известного способа заключается в ограничении области применения, так как не удается производить визуализацию и топографирование областей сверх- проводящей и нормальных фаз в сверхпроводящих материалах.

Целью изобретения является расширение области применения за счет визуализации магнитных полей сверхпроводящих и

0 нормальных фаз в сверхпроводниках второго рода, в том числе высокотемпературных, а также получения топограмм распределения в них областей с различной температурой фазовых переходов.

5 Поставленная цель достигается тем, что исследуемый объект охлаждают в постоянном внешнем магнитном поле ниже температуры фазового перехода в сверхпроводящее состояние, при этом напряжен0 ность внешнего поля выбирают ниже второго критического поля сверхпроводника при температуре испытания, обеспечивая тем самым захват магнитного потока сверхпроводящей фазой исследуемого объ5 екта, наблюдают доменную структуру в пленочном датчике, выключают магнитное поле и по полученной доменной структуре в пленочном датчике без магнитного поля судят о наличии фаз разной проводимости в

0 сверхпроводнике при температуре испытания, при этом областям сверхпроводящей фазы, захватившим магнитный поток при температуре испытания, соответствуют области в пленочном датчике с неизменяю5 щейся конфигурацией доменной структуры после выключения внешнего магнитного поля, а областям нормальной фазы, не захватившим магнитный поток при температуре испытания, соответствуют области в плеQ ночном датчике с измененной конфигурацией доменной структуры после выключения внешнего поля.

С целью получения топограмм распределения сверхпроводящих фаз с раз5 ной температурой перехода объект охлаждают ниже температуры фазового перехода самой низкотемпературной фазы, присутствующей в материале, включают знакопеременное магнитное поле, фиксируQ ют изображение на фотопленку или на видеопленку и по амплитуде колебания доменов в пленочном датчике судят о распределении в сверхпроводнике областей нормальных и сверхпроводящих фаз с различными темпеg ратурами фазовых переходов, при этом вы- сокотемпературным сверхпроводящим фазам соответствуют области в пленочном датчике с наименьшей амплитудой колебания доменов, а нормальным фазам соответствуют области в пленочном датчике с

наибольшей амплитудой колебания доме- йов.

Предложенный способ визуализации сверхпроводящих и нормальных фаз в сверхпроводниках второго рода с помощью магнитооптического ферромагнитного пленочного датчика основан на известном фи- зическом явлении - захвате линий магнитного потока сверхпроводниками второго рода после того, как в них проникло внешнее магнитное поле, не превышающее по величине второе критическое поле при температуре испытания. Проникший магнитный поток в виде вихревых линий с нормальными сердцевинами, вокруг которых циркулируют незатухающие сверхпроводящие токи, закрепляется на дефектах материала в сверхпроводящих фазах, превращая тем самым после выключения внешнего поля сверхпроводящие фазы в области, имеющие собственное магнитное поле (постоянный магнит), величина которого равна первоначально приложенному внешнему полю. Поэтому конфигурация доменной структуры в индикаторной фер- ромагнитной пленке над сверхпроводящей областью не изменяется после выключения магнитного поля, В областях со слабой сверхпроводимостью или с нормальной фазой силы закрепления вихре- вых линий оказываются недостаточными, чтобы удержать весь захваченный поток, и поэтому линии потока выходят из этих областей материала после включения внешнего поля, изменяя конфигурацию доменной структуры в индикаторной ферромагнитной пленке над этими областями разной проводимости тем сильнее, чем меньше сила закрепления.

При топографировании областей нор- мальных и сверхпроводящих фаз с разной температурой перехода в знакопеременном магнитном поле в материале происходит смена линий потока одного знака другим, при этом в каждом новом полупериоде ли- нии потока входят в область сверхпроводящих фаз только, после того, как амплитуда внешнего поля превысит некоторую критическую величину, зависящую от температуры перехода сверхпроводящей фазы. При этом областям с более высокой температурой перехода соответствуют большие критические поля для проникновения в них магнитного поля. Тогда над областями с меньшими температурами перехода и COOT- ветственно меньшими критическими полями домены в ферромагнитном пленочном датчике успевают отклониться на некоторое расстояние от равновесного положения, увеличивая тем самым область размытия доменной структуры, в то время как в области с высокотемпературной фазой магнитное поле может еще не проникать и домены поэтому еще не отклоняются от своих равновесных положений. Поэтому амплитуда колебания доменов, т.е. ширина их области размытия, зависит от температуры сверхпроводящих областей и амплитуды внешнего поля, причем над высокотемпературными областями домены в индикаторной пленке могут быть и неподвижными, если в них не проникает магнитное поле. Следовательно, по топограмме амплитуды колебания доменов в пленочном датчике при заданной амплитуде внешнего магнитного поля, т.е. по их ширине размытия, можно судить о- распределении в исследуемом образце фаз с разной температурой сверхпроводящего перехода вплоть до нормальной. При этом областям с наиболее низкой температурой перехода соответствуют области в пленочном датчике с наибольшей амплитудой колебания доменов. В областях с высокотемпературными фазовыми переходами амплитуда колебания доменов будет наименьшей или (в зависимости от величины внешнего поля) домены будут вообще неподвижными, т.е. картина не изменяется.

Предлагаемый способ визуализации и топографирования магнитных полей областей сверхпроводящих и нормальных фаз используется при контроле сверхпроводящих свойств керамики, монокристаллов и пленок высокотемпературных сверхпроводящих материалов. В качестве индикаторных могут использоваться ферромагнитные пленки как с перпендикулярной анизотропией, так и с плоскостной и наклонной к поверхности пленки.

На чертеже представлена схема измерительной установки, реализующей предлагаемый способ визуализации магнитного потока над образцом высокотемпературного сверхпроводника.

Установка состоит из осветителя 1, фильтра 2, диафрагмы 3, поляризатора 4, криостата с оптическим окном 5, хладопро- вода 6, образца 7 сверхпроводника, ферро- магнитного пленочного датчика 8, объектива 9, анализатора 10, окуляра 11, фотоприемника (фотоаппарата, видеокамеры) 12, светоделительной пластинки 13, электромагнита 14, рабочего вакуумирован- ного объема криостата 15. Стрелками показан ход лучей в микроскопе.

Для проведения измерений исследуемый сверхпроводник 7 помещают на хладо- провод 6 криостата 15 и накрывают его сверху ферромагнитным пленочным датчиком 8, выращенным на подложке гадоли- ний-галлиевого граната, причем подложку поворачивают пленочным датчиком вниз к сверхпроводнику 7. Откачивают рабочий ва- куумированный объем криостата 15, включают магнитное поле Н электромагнита 14 и понижают температуру хладопровода 6 ниже температуры сверхпроводящего фазового перехода сверхпроводника 7, наблюдают конфигурацию доменной структуры пленочного датчика 8 в окуляр 11 и фиксируют на фотопленку фотоаппарата 12 (или видеокамеру). Выключают магнитное поле Н электромагнита 14, наблюдают полученную конфигурацию доменной структуры в пленочном датчике 8 в окуляр 11 и фиксируют на фотопленку фотоаппарата 12 (или видеокамеру). Области сверхпроводника, над которыми не произошло изменение конфигурации доменной структуры пленочного датчика после выключения внешнего магнитного поля, соответствуют сверхпроводящей фазе при температуре испытания. Для того, чтобы повысить точность определения контура области сверхпроводящей фазы включают внешнее магнитное поле обратной первоначальному полю полярности и увеличивают его амплитуду, при этом в областях нормальной фазы происходит изменение контраста и конфигурации доменной структуры, на фоне которого хорошо видны контуры областей сверхпроводящих фаз, внутри которых контраст и конфигурация доменной структуры не изменяются.

Изменяя температуру испытания и повторяя процедуру визуализации доменной структуры, снимают топограммы распределения в сверхпроводнике фаз с различной температурой фазового перехода.

Топограмму распределения сверхпроводящих фазе различными температурами сверхпроводящих переходов в объекте можно снять менее трудоемко и сразу по всей площади, в электромагнит 14 подавать знакопеременное магнитное поле при температуре ниже самой низкотемпературной фазы. Тогда фиксируемая на фотопленку фотоаппарата 12 (или видеокамеры) картина областей размытия есть топограмма амплитуды колебания доменов и отражает картину распределения сверхпроводящих фаз с различными температурами фазового перехода. При этом областям в пленочном датчике с неподвижной картиной распределения доменов (или колеблющихся с наименьшей амплитудой и имеющих поэтому наименьшее размытие) соответствуют области в испытуемом материале с более высокотемпературной сверхпроводящей фазой.

Топограммы распределения сверхпроводящих фаз с различными температурами

сверхпроводящих переходов можно снимать и при непрерывном изменении температуры испытания.

Пример. Для проведения испытаний выбирались монокристаллы и

пленки высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO. В качестве магнитооптического ферромагнитного пленочного датчика использовалась пленка состава (YBi)s(GaFe)50i2 на подложке из гадолиний-галлиевого граната. Толщина пленки 8-10 мкм, намагниченность 100-160 Гс, поле анизотропии Н 5 кЭ, ширина доменов 8-10 мкм. Испытания проводились при температурах 6-150 К в

магнитных полях до 1000Э. В процессе испытания было обнаружено, что монокристаллы YBaCuO сильно неоднородны по сверхпроводящим свойствам - в них наблюдаются области сверхпроводящей и нормальной фаз. В

пленках YBaCuO наблюдаются внутри области сверхпроводящей фазы области нормальной фазы в виде полосок шириной около 100 мкм. На топограммах, снятых на пленках YBaCuO, видны области размытости с разной

амплитудой колебания доменов, которые соответствуют областям с разной температурой сверхпроводящих переходов. Области с неизменяющейся картиной распределения доменов или с малой амплитудой колебания

доменов (малой шириной размытости) соответствуют высокотемпературной сверхпроводящей фазе.

Способ позволяет экспрессно производить оценку сверхпроводящих образцов, их

качества и местоположения в них нормальных и сверхпроводящих фаз с разными температурами сверхпроводящих переходов.

Формула изобретения

1. Способ визуализации магнитных полей, заключающийся в освещении параллельным поляризованным пучком света поверхности помещенного над исследуемым объектом ферромагнитного пленочного датчика, получении в отраженном свете изображения доменной структуры пленочного датчика с помощью поляризационного микроскопа, отличающийся тем, что,

с целью расширения области применения за счет визуализации магнитных полей сверхпроводящих и нормальных фаз в сверхпроводниках второго рода, в том числе высокотемпературных, охлаждают исследуемый объект в постоянном внешнем магнитном поле ниже температуры фазового перехода в сверхпроводящее состояние, при этом напряженность внешнего поля выбирают ниже второго критического поля сверхпроводника при температуре испыта- ния, выключают магнитное поле и по полученной доменной структуре в пленочном датчике без магнитного поля определяют наличие фаз разной проводимости в сверхпроводнике при температуре испытания, при этом области сверхпроводящей фазы, захватившие магнитный поток при температуре испытания, определяют по областям в пленочном датчике с неизменяющейся конфигурацией доменной структуры после вы- ключения внешнего магнитного поля, а области нормальной фазы, не захватившие магнитный поток при температуре испытания, определяют по областям в пленочном датчике с измененной конфигурацией до- менной структуры после выключения внешнего поля.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью получения топограммы доменной структуры, соответствующей областям с различной температурой фазовых переходов сверхпроводника, объект охлаждают ниже температуры фазового перехода самой низкотемпературной фазы, присутствующей в материале, включают знакопере- менное магнитное поле, фиксируют изображение на фотопленку или видеоленту и по амплитуде колебания доменов в пленочном датчике определяют распределение в сверхпроводнике областей нормальных и сверхпроводящих фаз с различными температурами фазовых переходов, при этом высокотемпературные сверхпроводящие фазы определяют по наличию в пленочном датчике областей с наименьшей амплитудой коле- бания доменов, а нормальные фазы определяют по наличию в пленочном датчике областей с наибольшей амплитудой колебания доменов.

Изобретение касается магнитных измерений и предназначено для контроля качества сверхпроводящих материалов. Цель - расширение области применения за счет визуализации магнитных полей сверхпроводящих и нормальных фаз в сверхпроводниках второго рода, в том числе высокотемпературных. При реализации способа светом источника 1 через фильтр 2, диафрагму 3 и поляризатор 4 освещают ферромагнитный пленочный датчик 8, помещенный над исследуемым объектом 7, и в отраженном свете с помощью анализатора 10 и окуляра 11 или фотоприемника (фотоаппарата, видеокамеры) 12 исследуют доменную структуру датчика 8. Для достижения цели объект 7 охлаждают в постоянном внешнем магнитном поле электромагнита 14 ниже температуры фазового перехода, наблюдают доменную структуру, включают магнитное поле и по доменной структуре без магнитного поля судят о наличии фаз разной проводимости в сверхпроводнике. Для получения топограммы доменной структуры объект 7 охлаждают ниже температуры самой низкотемпературной фазы и включают знакопеременное магнитное поле. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. сл С