УДК 620.179.14
МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ
Ю. Л. Гобое, А. Г. Лаврентьев, К. А. Ивашова
Рассмотрены три различных метода визуализации пространственно неоднородного магнитного поля с использованием одной и той же монокристаллической пленки феррит-граната. Методы основаны на нахождении распределений пространственных составляющих неоднородного магнитного поля по конфигурациям доменных структур, образующихся в индикаторной феррит-гранатовой пленке. Продемонстрированы возможности визуализации этими методами полей рассеяния от зерен в конструкционной стали и от доменной структуры в трансформаторной стали.
Интенсивное исследование монокристаллических пленок феррит-гранатов (МПФГ) в последние десятилетия было вызвано развитием запоминающих устройств на цилиндрических магнитных доменах. В настоящее время это одни из самых совершенных монокристаллических пленок, выпускаемых промышленностью. Технология выращивания монокристаллических пленок ферритов-гранатов (МПФГ) была хорошо отработана и в настоящее время по этой технологии можно выращивать пленки с заранее заданными магнитными свойствами. Причем эти свойства могут меняться в достаточно широких пределах. Так, например, константа одноосной анизотропии может меняться в пределах -104 < Ки < +104 Дж/м3 (ось легкого намагничивания направлена перпендикулярно плоскости пленки), намагниченность насыщения — 0 < М, < 200 кА/м, размер доменов — Ю-7 < О < Ю-3 м, температура Кюри — 0 < Тк < 300 °С.
Кроме того, МПФГ обладают уникальными магнитооптическими свойствами в видимой части оптического спектра. Так для висмутсодержащих МПФГ фарадеевское вращение плоскости поляризации света может превышать 1 град/мин, что позволяет наблюдать высококонтрастные картины доменных структур в таких пленках. Простота и надежность наблюдения доменных структур в МПФГ открывают возможность использовать эти пленки для визуализации и топогра-фирования пространственно неоднородных магнитных полей с микронной и даже субмикронной локализацией. Разрешающая способность будет определяться размером доменов, существующих в этих пленках.
Физическое содержание методов, использующих для визуализации неоднородного магнитного поля индикаторные МПФГ, сводится к нахождению распределений пространственных составляющих поля по конфигурации доменных структур, образующихся в индикаторной пленке. В таких пленках образуется доменная структура открытого типа с двумя видами доменов, в которых намагниченность направлена либо по, либо против оси легкого намагничивания, причем домены разделены 180°-границами. Такая доменная структура является обычно лабиринтной или полосовой. При определенных условиях в подобных пленках возможно существование цилиндрических магнитных доменов (ЦМД).
При наличии внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси легкого намагничивания, происходит перестройка доменной структуры. При этом домены, в которых направление намагниченности совпадает с направлением внешнего магнитного поля, расширяются, а домены с неблагоприятной ориентацией намагниченности могут сжиматься не только по ширине, но и по длине. В поле, превышающем критичес-
кое, концы таких доменов стягиваются и образуются практически изолированные ЦМД. Цилиндрический магнитный домен стабилен в узком интервале значений внешнего магнитного поля. В поле, соответствующем верхней границе этого интервала, ЦМД коллапсирует, а в поле, соответствующем нижней границе, растягивается в полосовой домен, который, удлиняясь и хаотически изгибаясь, вновь образует лабиринтную доменную структуру. Помимо полосовых доменов, из которых состоит лабиринтная доменная структура, в нулевом поле могут быть устойчивы решетки цилиндрических доменов, однако образоваться в пленке они могут только при определенных специальных условиях. В настоящей работе на примере использования одной и той же индикаторной МПФГ продемонстрированы три различных способа использования этой пленки для визуализации и топографирова-ния пространственно неоднородных магнитных полей. Каждый из этих способов обладает своими особенностями и в зависимости от условий эксперимента каждый из методов имеет соответствующие преимущества.
МЕТОД ИЗМЕНЕНИЯ ЛАБИРИНТНОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В ПРИЛОЖЕННОМ ПОЛЕ
Таким образом, в индикаторной пленке обычно существует лабиринтная доменная структура. Понятно, что при воздействии на нее маг-
Рис. 1. Изменение лабиринтной доменной структуры в присутствии поля Н±.
нитного поля эта доменная структура будет изменяться, и это обстоятельство может быть использовано для визуализации и топографиро-вания пространственно неоднородного магнитного поля [1—3]. Рис. 1 демонстрирует возможности такой визуализации. На фотографии при-
ведена доменная структура, образовавшаяся в пленке в присутствии градиентного магнитного поля Н±, приложенного вдоль оси легкого намагничивания пленки (то есть перпендикулярно плоскости пленки). Рис. 1 можно считать градуировочным для рассмотренного метода визуализации. Видно, что вблизи нулевого поля образовалась лабиринтная доменная структура, по мере увеличения поля домены, в которых направление намагниченности совпадает с направлением поля, увеличиваются, а домены с противоположной намагниченностью уменьшаются до тех пор, пока в некотором поле Н1 = совсем не исчезают (в нашем случае Н5 = 34 А/см). Вообще говоря, таким методом можно по
5
о <
н К
34
-33
Рис. 2. Визуализация поля рассеяния над трещиной в стальной пластине методом изменения лабиринтной доменной структуры в приложенном поле.
ширине доменов определять величину поля во всем интервале от -Н5 до +#,. Однако зависимость величины доменов от поля очень слабая и на практике приходится ограничиваться только двумя линиями равной напряженности — когда доменная структура исчезает и пленка переходит в монодоменное состояние.
На рис. 2 приведен пример использования метода для визуализации полей рассеяния над трещиной в магнитомягком материале. Пленка располагается над трещиной в стальной пластине на высоте 0,5 мм, а доменная структура в индикаторной пленке наблюдается методом Керра. На этом рисунке показано распределение нормальной составляющей поля рассеяния над трещиной и отмечены четыре линии равной напряженности, зарегистрированные индикаторной пленкой.
МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ НЕОДНОРОДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ КРАТКОВРЕМЕННОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ ПОЛЕМ, ПРИЛОЖЕННЫМ СТРОГО В ПЛОСКОСТИ ПЛЕНКИ
Та же самая индикаторная пленка может быть использована для визуализации неоднородного магнитного поля другим методом, описанным в работе [4"|. Если в предыдущем методе линии равной напряженности определялись по переходу из лабиринтной доменной структуры в монодоменное состояние, то в новом методе линии равной напряженности регистрируются по переходу из лабиринтной доменной структуры в решетку ЦМД различной полярности и доменную структуру, состоящую из
смеси полосовых доменов и ЦМД различной полярности. Чтобы образовалась такая доменная структура, отображающая распределение неоднородного магнитного поля, необходимо лишь кратковременно намагнитить индикаторную пленку до насыщения полем Нп, приложенным строго в плоскости пленки, то есть вдоль трудной оси. Величина этого поля должна быть больше Яу, которая согласно [5] может быть вычислена по формуле
4л
{ а ь
Ъ1Н.
\1/2
ЧЯа
-4лМ„
где Ь — толщина пленки; #а = 2Ки/Мг Для использованной в работе пленки Нг= 960 А/см.
Градуировочный график для такого метода приведен на рис. 3. Различные виды ДС на этом рисунке были образованы в момент, когда магнитное поле в плоскости пленки уменьшалось и было равно = 960 А/см в присутствии исследуемого градиентного поля с направлением, перпендикулярным плоскости пленки. Существенной особенностью метода является то, что образовавшиеся доменные структуры на рис. 3 обладают эффектом "памяти" — остаются стабильными и при отсутствии внешних полей. То есть после намагничивания на индикаторной пленке как на фо-
Рис. 3. Формирование различных видов доменной структуры после кратковременного воздействия на пленку поля Ни = //,- в присутствии поля Н±.
тографии отпечатывается след исследуемого магнитного поля, который можно наблюдать уже не в отраженном свете с помощью эффекта Кер-ра, а в проходящем свете с помощью эффекта Фарадея, что значительно повышает контраст и не требует при наблюдении в микроскопе помещать индикаторную пленку в исследуемое поле. Из рис. 3 видно, что
5 Дефектоскопия, № 3, 2003
этим методом визуализируются сразу четыре линии равной напряженности.
Для сравнения методов на рис. 4 приведена визуализация магнитного поля над той же самой щелью в стальной пластине, что и на рис. 2. В дан-
Рис. 4. Отображение полей рассеяния над трещиной в стальной пластине в поле Нп = Н{.
ном случае визуализация произошла в поле #ц = Н}- 960 причем стальная пластина находилась в таком же большом поле, то есть она была в насыщенном состоянии. Поэтому поля рассеяния на рис. 4 в несколько раз больше, чем на рис. 2 и вблизи центра трещины очень большой градиент нормальной составляющей поля рассеяния. По этой причине смешанная доменная структура, которая должна была образоваться вблизи нулевого поля, выродилась в одну линию, то есть линии равного напряжения +7 Э и -7 Э слились в одну.
Существенной особенностью нового метода является необходимость прикладывать достаточно большое поле в плоскости пленки, то есть нет возможности исследовать объекты, создающие поля рассеяния в отсутствие внешнего поля. Это означает, например, что нет возможности исследовать поля рассеяния от доменной структуры. Тем не менее, этот недостаток в некоторых случаях может превратиться в преимущество метода. Так, если индикаторную пленку поместить не на трещину, как на рис. 4, а на бездефектное место стальной пластины, то на индикаторной пленке отобразятся поля рассеяния от зерен стали, если эти зерна отличаются друг от друга по магнитным свойствам.
На рис. 5 приведен пример визуализации зерен в конструкционной стали. Если бы визуализация зерен проводилась в малых полях, то образовавшиес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.