Магнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного поля Советский патент 1980 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения, контроля и стабилизации магнитного поля, например в ускорителях элементарных частиц и плазменных приборах., Известен кегнитооптическнй датчик для измерения напряженности магнитного поля, использующий фазовый метод регистрации угла поворота-плоскости 11ол$ ризации, в котором относительная потрешность измерения равна 0,1-0,01%. Однако этот датчик требует довольно сложной конструкции устройства регистра ции угла поворота плоскости поляризации Йзвестен такжемагнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного поля, использующий эффект поворота плоскости поляризации света в магнитооптически активной среде, состоящий из магнитооптического активного элемента, разметенного между пол5физа тором и анализатором и выполненного в вуще однороднотх) магнитного кристалла 11ши пленки 2. Однако измерение напряженности магнитного поля этт.1 датчиком сводится к регистрации угла поворота плоскости поляризации, в связи с чем этот магнитооптический датчик обладает aлoй точностьнэ измерения, порядка 1%. Цель изобретения - повышение точ)ости и расширение диапазона измерения. Это достигается тем, что магнитооптш ес- кий датчик для измерения напряженности магнитного поля, содержащий магнитооптический активный элемент, размещенный между опттпгескими поляризатором и анализатором, снабжен шкалой отсчета и подложкой, на кото{юй размешен магнитооптический активный элемент, при этом магнитооптический активный элемент выполнен в виде двухслойной магнит юй пленки с различными средними температурами магнитной компенсации в слоях и с монотонным изменением результи : ук: - щей намагниченности 0 каждом слое, а

шкала отсчета установлена поверх анализатора.

На фиг. 1 представлена конструкция данного магнитооптического датчика для измерения напряженности магнитного поля, на фиг. 2 - распределение результирующей намагниченности в каждом слое, на фиг. 3 - зависимость уширенйой границы в магнитооптическом активном элементе между двумя намагничекными в. противоположных направлениях областями от напряженности измеряемого магнитного поля.

Этот датчик содержит магнитооптический активный элемент 1 в виде двухслойной магнитной пленки, выращенной на подложке 2, например, методом жидкофазной эпитаксии. Различие свойств слоев магнитооптического активного элемента 1 достигается соответствующим изменением режимных параметров (например, температуры роста или скорости вращения подложки 2) в процессе выращивания. Монотонное изменение свойст в развитой плоскости пленки обеспечивается , например, созданием градиента температуры в зоне роста.

Магнитооптический активный элемент 1 в виде двухслойной магнитной пленки, выращенной на подложке 2, образует с 11Ослейней единое монолитное целое.

Со стороны подложки 2 располагаетс оптический поляризатор 3, а со стороны магнитооптического активного элемента 1 - оптический анализатор 4, выполненный, например, из дихроичной поляроидной пленки. Для крепления оптического поляризатора 3 и оптического анализато,рэ 4 применяется любой пригодный для . склеивания твердых тел клей. Поверх оптического анализатора 4 с помощью клея крепится прозрачная щкала 5, отградуированная либо непосредственно в эрстедах тесла), либо равномерная децимальная щкала, отградуированная с помощью эталона.

Плоскости пропускания оптического поляризатора 3 и оптического анализатора 4 перед приклейкой последних ориентируют друг относительно друга таким образом, чтобы в отсутствие магнитного поля две противоположно намагниченные области двухслойной пленки были одинаково затемненными. Граншха между ними будет выглядеть как тонкая светлая линкя на шкале 5.

Работа данного магнитоонтическохо датчика заключается Б следующем.

В отсутствие измеряемого магнитного поля в магнитооптическом активном элементе 1 суи1ествуют две намагниченные в противоположных направлениях области с четкой границей меяоду HinviH.

При помещении датчика в измер51емое магнитное ноле граница между этими областями ущиряется, причем, щирина границы однозначно связана с напряженностью магнитного поля Н. Отсчет напря. женности магнитного ноля производится

с помощью предварительно отграду1фованной прозрачной шкалы 5. Роль указателей прозрачной щкалы 5 выполняет два края , уширенной граншы, которая видна (на просвет) благодаря использованию опти«« ческогчз поляризатора 3 и оптического анализатора 4 при освещении искуственным или дневным светом,

В обоих слоях магнитооптического активного элемента 1 непосредственно в процессе выращивания или с помощью последующего легирования создается монотонное изменение результтфующей намагниченности в развитой плоскости пленки, причем при рабочей температуре оба слоя обладают различными точками компенсации, в которых результир тощая намагниченность каждого слоя обращается в ноль.

В отсутствие магнитного поля в тако двухслойной пленке реализуется плоская доменная граница (фиг. 2а5 линия АВ). На этом же рисунке показано распределение результирующей намагниченности в каждо 1 слое.

При увеличении магнитного поля су™ ществование участков, в которых вектор намагниченности М анткпараллелен полю Н (заштрихованные области на фиг. 2а и 26), становится энергетически невыгодным и при достижении некоторого критического значения поля происходит излом плоской доменной границы на поверхности раздела между слоями, в результате чего доменнаяграница принимает вид ступеньки (фиг. 26, СДЕГ). Ширина этой ступеньки ДХ зависит от разности между измеряемым внешним полем Н и критическим полем ,

Напряженность критического поля равна:

ci,

GИ,

кр 2d ,.,2

(1). а напр51же1шость измеряемого поля опр деляется по формуле: и (2 где J - плотность энергии домен- ной границы между слоями,,.;/d5 градиент распределени намагниченности в 1-м и 2-м слоях, ll и fl2 - толплша слоеВс d - расстояние между плоскостями, дпя которы M,j О в нервом слое и M- О во вто ром слое (фиг. 2), Как следует из формулы (2) зависимость Н (лх) .имеет вид, показанный на фиг. 3. Эта зависимость и использу- ется для измерения напряженности маг нитного поля. Из формулы (2) следует, что связь между Н иДК носит нелинейный характер. . зависимость Н(А.Ч линеаризуется и приобретает вид 9 (3). в этом случае для измерения Ьапряженности магнитного поля можно пользо ваться линейной шкалой. Диапазон измеряемых магнитных по лей определяется значениями 6 Р . , Qa. J il.i d С помощью данного магнитооптического датчика, используя существующие в настоящее время материалы (например, ферритыгранаты), можно измерять магнитные поля в интервале от 1О до Юэрстед. Снизу этот интервал ограничивается поперечными размерами и толщиной пленки, а также градиентом распределения намагниченности в слоях. Верхняя граница измеряемых полей определяется из условия недопустимости перехода ферри- магнетика в неколлинеарное состояние необходимое для этого поле по порадку величин равно среднему геометрическому обменного поля и поля анизотропии (1О эрстед). Точность измерения напряженности магнитного поля определяется точностью измерения ширины ущиренной области ДХ и может быть сделана весьма вьюоко за счет использования методов оптическо микроскопии. Требования к термостабнлизлции Rarчика SJвисят от температуриьгх коэффициентов намагнггченностн в слоях, л ТАКже от поперечньгх размеров и па мметров пленки. Так как смещение обеих rjviнип уштфетюй области & гфи Кении тег-шературь на велич1П(у cfT для С1 описывается формулой: а(4) где t - температурный коэффициент намагниченности, то ширина уширенной границы -х не зависит от температуры, так что датчик сохраняет свою рлботоспособность до тех пор, пока во всем диапазоне измеряемых магнитных полей ymapeHHaH гран1ща не выходт-гг за пределы визуально наблюдаемого участк/i пленки. Формула Изобретения Магнитооптический датчик для измерения напряженности магнитного поля, содержащий магнитооптический активный элемент, размешенный между оптическими поляризатором и анализатором, о т л и ч а ю щ и ,й с я тем, что, с целью повышения точности и расштфения диапазона измерения, он- снабжен шкалой отсчета и подложкой, на которой размешв магнитооптический активный элемент, при этом магнитооптический активный элемент Выполнен в виде двухслойной маг- нитной пленки с различными средними температуре.ми магнитной компенсации в слоях и ,с монотонным изменением результируташей налгагниченности в каж дом слое, а шкала отсчета установлена поверх анализатора Источники информации, принятые во вн1гмание при экспертизе 1.Старостин Н. В., ФеофнлоБ М. П. Магнитная циркулярная анизотропия в кристаллах , УФН, т..97, вып. 4, 1969, с. 632. 2,Гончаренко А. И,, Ягола 1 К., Измерительная техника, N° 2, 1974, с. 54-56,