МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ НМММ-22 (XXII Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах") Астрахань, сентябрь 2012 г.
Сопредседатели Оргкомитета профессор А.П. Лунёв член-корреспондент РАН Л.А. Прозорова
Под общей редакцией д-ра физ.-мат. наук Ф.В. Лисовского
и д-ра физ.-мат. наук А.П. Пятакова
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 2, с. 142-146
УДК 537.62:538.9
ОПТИМИЗАЦИЯ ФЕРРОЗОНДОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНОЧНЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ
© 2014 г. Л. З. Лубяный, В. Н. Самофалов, А. Н. Стеценко, А. Г. Равлик, И. А. Чичибаба
Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Украина
E-mail: lubuaniy@kpi.kharkov.ua
Обоснована и экспериментально доказана возможность использования многослойных пленок с одноосной магнитной анизотропией в качестве сердечников феррозондов. Установлено, что при пе-ремагничивании таких сердечников полями возбуждения уровень магнитных шумов в феррозонде на два—три порядка ниже, чем в обычных сердечниках. Обсуждаются вопросы, связанные с оптимизацией таких феррозондов.
DOI: 10.7868/S0367676514020197
Измерители магнитной индукции на основе феррозондов нашли широкое применение в разведке полезных ископаемых, при изучении геомагнитных и полей космического пространства, а также в навигационных приборах, в автоматизации производственных процессов. В последнее время феррозонды применяют в качестве датчиков несиловых сканирующих магнитных микроскопов. К преимуществам феррозондов следует отнести возможность измерения слабых магнитных полей до 10-9 Тл. В феррозондах их пороговые характеристики определяет уровень магнитного шума. С практической точки зрения, наибольший интерес представляют шумы, возникающие из-за флуктуаций второй гармоники частоты перемаг-ничивания, так как именно они и определяют минимально обнаруживаемую величину магнитного поля.
В данной работе была поставлена задача обосновать возможность создания высокочувствительных к полю феррозондов с пленочными сердечниками. В качестве сердечников использовали многослойные пленочные системы в виде узких полосок, которые перемагничиваются путем вращения намагниченности в слоях. Как известно, при намагничивании ферромагнетиков за счет процессов вращения намагниченности снижаются амплитудная дисперсия шумов Баркгау-зена и их общий уровень. Кроме того, при пере-магничивании таких сердечников можно использовать более высокочастотные (до 10—20 Мгц) возбуждающие поля, так как при этом сводится к минимуму влияние скин-эффекта. Повышение частоты имеет большое значение при миниатюризации четногармонических преобразователей. Следует иметь в виду, что при перемагничивании вращением проницаемость ц может снизиться на один—два порядка. Несмотря на уменьшение ц,
за счет резкого снижения шумов можно увеличить соотношение сигнал-шум и тем самым понизить нижний предел измеряемых феррозондом полей на два—три порядка.
Традиционно для сердечников обычно используют магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью ц = 105 и выше. При этом ось легкого намагничения (ОЛН) ориентирована параллельно направлению возбуждающего поля НВ феррозонда, включенного по дифференциальной схеме (рис. 1). Поскольку в данное время не установлена количественная связь между величиной эдс-сигнала феррозонда и магнитными параметрами его сердечников, наличие высокой проницаемости молчаливо считается достаточным для получения большой ЭДС сигнала. Для оптимизации ферозонда важно найти аналитическую зависимость между магнитными параметрами сердечников и чувствительностью феррозонда. Существующая теория работы феррозонда не позволяет установить такую связь и потому требует уточнения.
Из феноменологической теории работы феррозонда известно [1], что величина эдс-сигнала в измерительной катушке равняется
e(t) = 6bHxwdH2B(t) ф 0, at
(1)
где Нх — измеряемое поле, НВ — поле возбуждения, w — число витков измерительной обмотки. Параметр Ь равняется значению коэффициента при Н3 в полиноме вида
В(Н) = аН + ЬН3 + сН5 +..., (2)
где а, Ь, с — постоянные числа. Магнитные свойства материала сердечника, характеризующие работу феррозонда, выражаются через значения этих коэффициентов. Поскольку величина измеряемой амплитуды 2-й гармоники определяется
e(t) = -wS—, dt
(3)
где S — площадь поперечного сечения измерительной обмотки. Для уточнения выражения (3) следует из параметров петли гистерезиса корректно вычислить составляющую dB/dt. Если М(Н) — некоторая экспериментальная или рас-
M
Ms R
0 /
у7 H
Рис. 1. Схема феррозонда.
значением коэффициента Ь, оптимизировать работу феррозонда означает, в частности, найти такой сердечник, у которого наибольшее Ь. В литературе нет сведений о результатах вычисления Ь, измерений и анализе его возможных значений. Нет также сведений о том, как влияет проницаемость ц на величину Ь. Выражение (1) позволяет только качественно описать работу феррозонда. Многообразие возможных магнитных свойств сердечника нельзя охарактеризовать одним постоянным коэффициентом Ь. В значение амплитуды 2-й гармоники вносят вклад также другие члены полинома (2). Так что на основании теории [1] нельзя определить из параметров петли гистерезиса амплитуды гармоник сигнала, а можно сделать только качественные выводы.
В общем случае эдс, наводимая в измерительной катушке, описывается выражением
Рис. 2. Схема кривой намагничивания, характерная для одноосных пленок при намагничивании их полем перпендикулярным ОЛН.
считанная зависимость намагниченности от поля Н, то индукция В ~ 4пМ(Н). Тогда сигнал второй гармоники е(1), возникающий в измерительных катушках, включенных навстречу, будет равняться разности эдс в каждой из катушек:
е(0 = АпЛ^[М(Нв + Нх) - М(Нв - Нх)], (4) dt
где Нх — измеряемое поле, НВ — поле возбуждения, А = — некоторая постоянная, учитывающая размеры сердечника и измерительной системы. Поскольку измерительные катушки и магнитные сердечники феррозонда изготовляются одинаковыми, выражение (4) примет вид
e(t) ~ 4пА
d 2M (II)'
dH2
dH в
dt
2Hx
(5)
Из зависимости (5) следует, что для определения величины ЭДС в феррозонде необходимо провести анализ второй производной dM/dH2, используя теоретическую или экспериментальную зависимости M(H) сердечников. Как видно, чем больше значение d2M/dH2, тем выше сигнал e(t) ~ dB/dt, т.е. связь между величиной сигнала e(t) и магнитными параметрами сердечника выражается через значение d2M/dH2(H). Если возбуждающее поле гармоническое НВ = asin(® t), то выражение (5) примет вид
dB dt
4пА
d M(H)
a cos(®t )a»2Hx,
(6)
_ ^(Н) ) \
где а — амплитуда колебаний, ю — частота поля возбуждения.
Известно [2], что перемагничивание путем обратимых процессов вращения намагниченности реализуется в одноосных ферромагнетиках при включении поля перпендикулярно ОЛН. На рис. 2
144
ЛУБЯНЫЙ и др.
SiO AI2O3
Рис. 3. Схема распределения намагниченности в многослойной пленке с ОЛН, перпендикулярной длине образца.
показана петля гистерезиса, характерная для этого случая. На участке, где М(Н) линейная, d2M/dH2 = = 0, и поэтому e(t) = 0 при любых величинах проницаемости. Сигнал становится отличным от нуля там, где линия М(Н) имеет кривизну (вблизи поля насыщения HS). Если воспользоваться известной зависимостью для кривизны линии К = 1/R, заданной функцией М(Н), то формула (6) примет вид
e(t) « 4nMA í—- a cos(at)a2Hx, (7)
Un((p)J R
где ф — угол между радиусом-вектором, проведенным в точку касания кривой М(Н) и полем Н. Необходимо отметить, что угол ф будет минимальным, когда радиус R направлен перпендикулярно линейному участку зависимости М(Н). При большой проницаемости 8Шф ~ 1§ф~1/ц и поэтому величина сигнала будет пропорциональ-3 1
на e(t) ~ (|) —. Как видно, для достижения высоких значений сигнала e(t) необходимо использовать материалы с высокой проницаемостью ц и повышенной кривизной зависимости М(Н).
Окончательный ответ на вопрос о возможности использования феррозондов с сердечниками на основе одноосных пленок могут дать прямые испытания. С этой целью были изготовлены путем конденсации в вакууме 4- и 8-слойные пленки сплавов Ni—Fe размером 2 х 20 мм и толщиной ферромагнитных слоев t = 0.2—1.0 мкм, разделенных прослойками SiO, Al2O3 или аморфного углерода (рис. 3). Для создания одноосной анизотропии конденсация проводили в магнитном поле.
Ncb
иСБ, отн. ед.
Рис. 4. Зависимости нормированного числа скачков
Баркгаузена от их амплитуды.
Поле наведенной одноосной анизотропии НК варьировалось изменением температуры подложки в пределах 1—5 Э. Одновременно препарировались образцы двух видов: с ОЛН вдоль узкой стороны (образцы В) и вдоль длинной (образцы С).
Флуктуации магнитного потока исследовали на магнитошумовом структуроскопе МШС-1 [3]. Измерения проводили на частоте от 10 кГц до 50 МГц. Показано, что для образцов типа С с ростом частоты эффективность перемагничивания путем смещения доменных стенок ухудшается и при частотах больше 0.1—0.3 МГц перемагничивание становится вообще невозможным (энергетически невыгодным). При этом соотношения полезного сигнала к шуму (при В = 1 нТл) становится меньше единицы. Таким образом, установлено, что для таких образцов предельная частота работы феррозонда ~100— 300 кГц, а порог чувствительности — более 1 нТл. На образцах В плотность и амплитуда скачков Баркгаузена на два—три порядка ниже, чем у образцов типа С (рис. 4) [4], а сигнал на измерительной катушке возрастает линейно вплоть до частот 20-50 МГц.
Полученные результаты можно объяснить особенностями доменной структуры и процессов пе-ремагничивания образцов типа С и В. Действительно, в случае образцов С исследуемые структуры пе-ремагничиваются путем смещения доменных границ, а в случае В - путем обратимого вращения намагниченности в слоях. При этом, как отмечено выше, существенно снижаются амплитудная дисперсия шумов Баркгаузена и их общий уровень. Кроме того, скорость перемагничивания в этом
K2, мкВ/10-5 Э
50 40 30 20 10
10
20
30
40
I, мА
0.8
Uflucb мкВ
0.4
—▼—1.5 Гц -а-2 Гц -.-3 Гц -■-4 Гц
10 15 20 25 30 35
I, мА
Рис. 5. График зависимости амплитуды вт
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.