ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 103-106
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
--ТЕХНИКА
НАМАГНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В МАГНЕТИКАХ В ШИРОКОМ
ДИАПАЗОНЕ ВРЕМЕНИ
© 2004 г. О. С. Колотов, А. В. Матюнин, О. А. Миронец, В. А. Погожев
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Россия, 119899, Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 18.03.2004 г.
Намагничивающее устройство предназначено для исследования переходных процессов в магнетиках, имеющих форму пластин или плоских пленок. Основным его элементом является полоска, состоящая из проволочек с подключенными к ним демпфирующими резисторами. Применение резисторов позволило снизить время затухания вихревых токов (и, соответственно, время установления формируемого магнитного поля) до ~5-6 нс. В свою очередь, это позволило расширить диапазон длительностей исследуемых процессов, а также увеличить пространственную однородность поля. Для регистрации изменения намагниченности исследуемых образцов используется съемный виток. С помощью данного устройства исследовался широкий спектр переходных процессов, имеющих длительность ~0.05-100 мкс (в пермаллоевых пленках, монокристаллах бората железа, пленках ферритов-гранатов с анизотропией типа "легкая плоскость" и др.). Это устройство также может быть использовано для наблюдения динамических доменов.
Для получения импульсных магнитных полей, инициирующих переходные процессы в образцах магнетиков, имеющих форму плоских пластин и пленок, обычно используют намагничивающие устройства в виде отрезков полосковых линий [1-3]. В таких устройствах получают достаточно однородное поле, нарастающее за малое время (~10-10-10-9 с). Однако распределение поля остается неизменным только на время, существенно меньшее времени затухания вихревых токов.
Дело в том, что действие вихревых токов, возникающих в полосковых проводниках при поступлении в них перепада тока, сводится не только к неравномерному распределению тока по толщине полоски, но и приводит к более сильно влияющему на точность исследования эффекту, связанному с начальным повышением плотности тока у боковых краев проводников [3-8]. В результате, по мере затухания вихревых токов и установления стационарного равномерного распределения плотности тока по сечению полосок магнитное поле в центральной части намагничивающего устройства (н.у.) постепенно нарастает до максимального значения Нм, существенно большего значения Нф, достигаемого к моменту окончания фронта импульса тока, поступающего в устройство.
Исследование нескольких конструкций н.у. с толщиной полосок 50 мкм показало, что время затухания вихревых токов лежит в пределах 47 мкс, а Нм может достигать значений (1.15-1.2)Нф [3, 8]. Таким образом, при проведении сколь-нибудь точных исследований полосковые линии
можно использовать, если длительность переходного процесса не превосходит 150-200 нс. Только при выполнении этого условия магнитное поле не изменяется существенно за время протекания исследуемого переходного процесса.
Вместе с тем, есть ряд важных задач, связанных, например, с изучением процессов импульсного перемагничивания в области малых и средних полей [9, 10], изучением закономерностей перехода магнетиков в остаточное состояние [11], когда необходимо возбуждать и регистрировать процессы длительностью 10-6-10-4 с. В данной работе описано н.у., в котором расширение интервала длительностей исследуемых процессов достигнуто снижением времени затухания вихревых токов до величины, близкой к времени нарастания импульса тока.
Конструкция н.у. схематически показана на рис. 1. Все его элементы размещены на основании из листового текстолита толщиной 10 мм. Основным элементом является полеобразующая полоска 1. Для уменьшения времени затухания вихревых токов полоска набрана из проволочек, последовательно с каждой из которых включено демпфирующее сопротивление гд. Использовано 38 медных проволочек 00.08 мм, наклеенных на текстолитовую пластину толщиной 1, шириной 15 и длиной 45 мм. Пластина помещена в паз глубиной 1.2 мм, профрезерованный в основании н.у. У одного конца пластины все проволочки припаяны к обратному проводнику, у другого - каждая из проволочек припаяна к одному из резисторов
Ко
КГ
Рис. 1. Схематическое устройство н.у. О - образец; С - столик; П^ По - пластины; ОП - обратный проводник; Д1, До — диски; К1, Ко - входной и выходной коаксиальные кабели; КГ15 КГ2 - кольца Гельмгольца; Гд, г'д - демпфирующие сопротивления (МЛТ-0.5); Гдоп - дополнительные резисторы (МЛТ-2); 1 - полеобразующая полоска; 2, 2' -прорези; 3 - съемный виток; 4 - стержень; 5 - рычаг; 6 - гайка.
гд (для упрощения на рис. 1 показаны только 8 проволочек).
Резисторы гд (МЛТ-0.5) размещены между текстолитовой пластиной П1 и диском Д1 из медной фольги. В пластине и диске равномерно вдоль окружностей 032 и 20 мм (концентричных с диском) просверлены отверстия 01 мм, в которые вставлены выводы резисторов. Положение резисторов жестко фиксируется в пластине и диске. Чтобы повысить пространственную однородность магнитного поля, сопротивления резисторов (гД = = 200 Ом), подключенных к каждой из четырех крайних проволочек (по две с каждой стороны полеобразующей пластины), выбраны меньшими, чем у остальных 34 резисторов (гд = 270 Ом).
Для размещения резисторов в основании н.у. сделан вырез. В этом же вырезе размещено 8 дополнительных резисторов гдоп (МЛТ-2), результирующее сопротивление которых вместе с сопротивлениями демпфирующих резисторов и проволочек, равно волновому сопротивлению коаксиального кабеля Кх, по которому импульс тока поступает в н.у. Эти дополнительные сопротивления припаяны с одной стороны к диску Дх, а с другой - к такому же диску Д2 (на рис. 1 часть резисторов не показана).
К диску Д2 припаян центральный проводник коаксиального кабеля К1. Внешняя оплетка кабеля соединена с полеобразующей полоской обратным проводником ОП. Он имеет форму вытяну-
той буквы О и изготовлен из фольги толщиной 100 мкм. Чтобы уменьшить индуктивность н.у., ширина ОП выбрана достаточно большой (15 мм). Расстояние между продольными участками обратного проводника и краями полоски выбраны из компромиссных соображений, связанных соответственно с желанием уменьшить индуктивность н.у. и в то же время ослабить влияние самого проводника.
Волновое сопротивление р кабеля К1 выбрано близким к выходному сопротивлению используемых источников тока - транзисторно-ламповых нелинейных усилителей с лампами ГМИ-6 в выходных каскадах [12, 13]. Нами применен самодельный кабель с волновым сопротивлением р = = 23 Ом. В качестве его внутреннего проводника и диэлектрика использованы соответственно внешняя оплетка и наружный изолятор стандартного кабеля РК-75-2-32А, а в качестве внешнего проводника - оплетка от экранированного провода.
Измерения показали, что собственное время установления тока в рассматриваемом н.у. равно 5.2 ± 0.5 нс. Считая, что оно в основном определяется его индуктивностью Ь, находим, что Ь = 0.1 ± ± 0.01 мкГн. При использовании упомянутых выше источников импульсов тока с длительностью фронта Тф ~ 3-7 нс можно получить импульсы магнитного поля с Тф ~ 6-8 нс. На рис. 2 представлена зависимость относительной величины плоскостной компоненты магнитного поля от координаты х. Центр выбранной системы координат ле-
НАМАГНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
105
жит на оси симметрии полоски на расстоянии 22 мм от ее конца. Ось у коллинеарна оси симметрии. Пространственная конфигурация магнитного поля исследовалась в плоскости г = 1.2 мм. В этой плоскости исследуемый образец обычно располагается так, что его центр примерно совпадает с точкой с координатами х = 0, у = 0 и г = 1.2 мм. Назовем эту точку центром н.у.
Измерялась величина Нх/Нц(Нц - поле Нх в центре н.у.). Для определения величины Нх/Нц использовалась катушка сечением 0.6 х 10 мм2 и толщиной 0.4 мм. При определении стационарной конфигурации поля в н.у. подавался переменный ток с частотой 3 кГц (опыт показал, что для рассматриваемого н.у. повышение частоты до 10-20 кГц не приводит к заметному изменению распределения поля).
Стационарное распределение поля в н.у. представлено кривой 1 на рис. 2. Кривая 2 получена при измерении среднего значения Нх/Нц на фронте импульса тока длительностью 6 нс. Видно, что за это время достигается распределение, близкое к квазистационарному. Для сравнения приведена кривая 3, отражающая действие эффекта "вытеснения" тока в крайние проволочки полеобразую-щей полоски. Она получена при отключении демпфирующих резисторов. Наконец, кривая 4 отражает стационарное распределение поля для полоски из проволочек без демпфирующих резисторов. Сравнение всех кривых показывает, что применение проволочек с демпфирующими резисторами при надлежащем их подборе позволяет не только уменьшить до приемлемых значений время затухания вихревых токов, но и повысить пространственную однородность магнитного поля.
При проведении эксперимента исследуемый образец О (рис. 1) помещается на столик С, вырезанный из листа плексигласа толщиной 1 мм. Образец вставляется сбоку в выемку глубиной 0.5 мм, выфрезерованную в столике. С помощью трех винтов из фторопласта, проходящих через прорези 2 и 2' в основании н.у., столик крепится к плексигласовой пластине П2 толщиной 3.5 мм, расположенной под основанием. Пластина П2 крепится фторопластовым винтом, который ввернут в основание под центром н.у. (на рис. 1 не показан). Пластина может поворачиваться вокруг винта на угол 20°. Таким образом достигается требуемая ориентация характерных направлений в образце (например, осей легкого намагничивания относительно направления магнитного поля).
Для калибровки н.у. использован метод, основанный на сравнении действия на достаточно быстрый магнетик (например, тонкую пермаллое-вую пленку) измеряемого импульсного магнитного поля и постоянного поля известной величины [3]. Найдено, что коэффициент преобразования рассматриваемого н.у. равен 0.29 ± 0.01 Э/А.
Нх /Нц
7.5 х, мм
Рис. 2. Зависимость относительной величины компоненты магнитного поля Нх/Нц от координаты х. 1 — стационарное распределение
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.