几种常用的磁性测量仪器(I)-2004年

常用磁性测量仪器（I）（共55页）•磁性信号的产生与检测•磁性信号的测量仪器（I）电磁感应原理磁性信号的产生与检测•磁性信号及其产生方式•磁场的产生方法•磁性信号的采集方法•磁性信号的处理内容信号1磁性信号的定义•磁学所有的物质都具有某种磁性•磁性信号仅限于物质的磁性有时需要人为产生磁性信号信号2磁性信号的确认•带有磁性信号的物体穿过由导线构成的回路时，将有感生电动势产生。在闭合回路中产生感生电流。•带有磁性信号的物体在非均匀磁场中将受到力的作用。信号3SLSBLEBddtdddtdzyxHVMFS,,0磁性信号的产生方法信号41.含有剩磁的物体单畴磁性颗粒（单个）已充磁的永磁材料经特殊加工工艺处理的物体2.在磁场中的物体任何处于磁场中的物体磁场的产生磁场•磁场强度分布10-1610-1310-1010-410-310-210-11001011021038x10-148x10-118x10-88x10-28x10-18x1008x1018x1028x1038x1048x105(Tesla)(kA/m)生物磁场天体磁场地磁场永磁体电磁铁亥姆霍兹线圈超导磁体脉冲磁场磁性信号的检测目的信号51.（基本）粒子的磁矩2.单原子、单分子的磁矩3.原子团、聚合物的磁性4.大块材料：(比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、(内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、磁致伸缩，等等。磁性信号的检测内容•磁性分类具体的物质具有何种磁性•磁性的变化规律～环境温度、压力、气氛～外加电、磁场～时间信号7磁性信号的测量仪器信号8中子散射装置、磁力显微镜磁－磁作用回旋共振、自旋共振(铁磁共振仪、亚铁磁共振仪、反铁磁共振仪、电子自旋共振仪、核磁共振仪、Mössbauer谱仪)共振效应磁－光效应磁－力效应冲击法振动样品磁强计VSM提拉样品磁强计ESM超导量子(SQUID)磁强计电磁感应Faraday效应Kerr效应、Faraday效应磁圆（线）振二向色谱仪磁转矩仪、磁天平交变梯度磁强计AGFM电磁感应原理磁通量SBdS电磁感应2必须明确的几个问题1.自由空间的稳态磁通可以直接测量－磁通计2.样品内部的稳态磁通无法直接测量？3.变化的磁通可以直接测量1.如何产生变化的磁通2.如何测量变化的磁通电磁感应原理电磁感应3t0t1ε(t)t冲击法磁强计法电动法感应（测量发电机）法电子积分器、数字积分器各种自动直流磁性测量仪器冲击法BallisticGalvanometer（冲击检流计）冲击法冲击法1最具原理性的磁性测量方法ANiBwdtddtdJ022J为转动惯量，α为偏转角，ρ为阻尼系数w为扭转系数，B0为磁感应强度，A和N为面积和匝数，i为瞬时电流H线圈B线圈样品冲击检流计冲击法冲击法2应尽量满足的条件－灵敏度1.脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动：电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。2.检流计处于临界阻尼状态；检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。3.被测磁通应尽量为瞬时变化：非瞬时变化引入很大的误差。4.线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间一般在10倍以上。5.需要测定冲击检流计的冲击常数CΦ使用互感系数M已知的互感线圈。冲击法冲击法3冲击法的优点1、可以开路、闭路测量；2、仪器设备简单。闭路：磁路闭合开路：磁路不闭合NS冲击法的缺点1、积分式数据采集：零漂移；2、要求使用具有特定形状的样品；3、灵敏度较低。等截面积（常数）冲击法的使用•教学演示实验：电磁感应定律•工业：发电机•工业：磁体的磁性能测量迴线仪：永磁材料的永磁性能检测美国KJS公司中国计量科学研究院德国Magnet－Physik公司NIM－2000系列Permagraph系列HG－500振动样品磁强计VibratingSampleMagnetometer(VSM)VSM的设计理念•为什么要振动样品？•为什么要使用双线圈？四线圈？•为什么要调节鞍区？•为什么要定标磁矩？VSM的作业题目振动样品磁强计VSM1XYZr检测线圈rrrMrMrHmm53)(341)(SSSdrHSdB)(0样品磁偶极子磁偶极子的方向：？为什么要振动样品？振动样品磁强计VSM2VSM几个关键的问题1.样品必须处于均匀磁场中：均匀区2.我们只能检测感应电动势：检测线圈3.怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式4.样品－线圈－振幅－频率振动样品磁强计VSM3磁场均匀区螺线管d圆柱极头电磁铁圆台极头电磁铁无限长螺线管亥姆霍兹线圈超导磁体均匀区较大磁场强度可能较低均匀区较小磁场强度可能很高振动样品磁强计VSM4检测线圈－感应电动势Zaf(ω)tjae()'()jtjtrtraekxykzeij设线圈面积为S，匝数为N01(',)()NSiHrttdStt感应电动势(',)(',)''(')'HrtHrtrrHrtrtt只有z方向分量振动样品磁强计VSM5检测线圈－感应电动势－磁矩两个关于线圈的假设：（永远适用）1.检测线圈位置固定；2.样品沿固定方向（X或者Y）磁化。式中,)(5rxzrfZ为检测线圈位置函数感应电动势－磁矩－驱动方式－线圈位置的关系如下：NiStjZtjZmeaZrfaerfSdMt1220...)]([)(43)(感应电动势电压有效值振动样品磁强计VSM6检测磁矩的最终表达式必须满足的条件：（确保永远适用）1.检测线圈尺寸、位置固定；2.样品沿固定方向（X或者Y）磁化；3.样品尺寸与线圈位置：满足磁偶极子条件4.有足够大的“鞍点区”tEtmcos)(mxkMV振动样品磁强计VSM7串联反接－检测线圈5)(rxzrfZ检测线圈位置函数定义：空间位置函数fZ(r)中各频率成份中与位置有关的函数，为该频率成份的线圈几何因子KF。基频的线圈几何因子KF1：427225cos)cos51(sin)5()(),,(1rrzrxrxzrfrKZF为什么要使用双线圈？振动样品磁强计VSM8串联反接－检测线圈42cos)cos51(sin)(rrfZ基频（ω）的贡献：rθ1θ2++++––––ZXCoil1Coil2D线圈直径：D样品_线圈：r（x）当r25D2时，在x处，KF1为正即63°26´θ116º34´在－x处，KF1为负即243°26´θ296º34´为什么要使用双线圈？振动样品磁强计VSM9串联反接－检测线圈5cos)3cos7(cossin5)(rrfzZ二次谐波（2ω）的贡献：r++++––––ZX对于满足基频线圈几何因子所确定的串联反接双线圈，二次谐波在该线圈对中的感应电动势等于零。49°6´130°54´为什么要使用双线圈？不用线圈如何？使用磁场（自由空间磁通）传感器？完全可以！？必须解决的问题：1.能够扣除磁化磁场等杂散磁场的影响2.必须可以即时响应磁通的变化3.必须能够对磁矩进行定标4.必须有满足测量要求的灵敏度为什么使用四线圈？鞍区－磁场－灵敏度ZX为什么要使用四线圈？基于电磁铁的VSM：1.高磁场使得极头间距变小，导致鞍区缩小2.减小线圈之间的距离可以提高灵敏度，但鞍区缩小3.四线圈可以使得鞍区扩大，但降低了灵敏度振动样品磁强计VSM10“鞍点区”定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近，线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。磁化方向振动方向横向方向0距离“鞍点区”的意义1.样品的安装2.位置调节为什么要调节鞍区？什么时候需要调节鞍区？！任何时候！（除了测量进行之中）1.磁矩定标时；2.开始测量样品前定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近，线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。为什么要调节鞍区？什么时候可以不用调节鞍区：样品处于位置不敏感区！振动样品磁强计VSM11磁矩的定标mxkMV电压有效值与磁矩的关系：标准样品比磁化强度：σStandard；质量：mStandard待测样品比磁化强度：σSample；质量：mSampledardStandardtanSdardtanSSampleSampleSamplemVkmV为什么要定标磁矩？振动样品磁强计VSM12振动样品磁强计的发展历史前提：满足磁偶极子的条件NiStjZtjZmeaZrfaerfSdMt1220...)]([)(43)(驱动：频率、振幅稳定远离市电频率及其谐波测量：检测交流电压－非积分式振动样品磁强计VSM13振动样品磁强计的发展历史1956，G.W.vanOosterhout,Appl.Sci.Res.,B6,101-104(1956)1956，S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,27,548(1956)1959，S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,30,548-557(1959)1975，被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料饱和磁化强度的标准方法之一1960s，锁相放大技术(1930s)的使用1980s，自动控制技术的广泛使用振动样品磁强计VSM14振动样品磁强计的发展历史相敏检波器锁相放大器磁强计振动源锁相放大器电磁铁电源数据获得单元计算机振动头样品杆样品探测线圈电磁铁霍尔探头X－Y记录仪电子计算机振动样品磁强计VSM15振动样品磁强计的制造商（仅供参考）美国ADETechnologies,Inc.(DMS)美国LakeShoreCryotronics,(EG&G)美国LDJElectronics,Inc.美国QuantumDesignCo.(Oxford)中国科学院物理研究所吉林大学物理系南京大学物理系振动样品磁强计VSM16振动样品磁强计的分类：（一）具体类型样品尺寸大小振动方向通常与磁场平行通常与磁场垂直样品振幅大小（微振动）感应电动势磁通变化d/dt磁矩mPPMS的VSM常规基于电磁铁的VSM振动样品磁强计VSM17振动样品磁强计的分类：（二）具体类型磁场来源亥姆霍兹线圈电磁铁超导磁体永磁体温度范围室温/低温/高温振动方式机械驱动/电磁驱动静电驱动平行磁场检测线圈双线圈/四线圈信号采集相敏检波/锁相放大控制方式电子计算机单片机人工存储处理电子计算机记录仪振动样品磁强计VSM18VSM的优点1、非积分式－同步采集，无零漂移；2、原理简单，使用方便，适用面广；3、单点测量所需时间短；4、灵敏度较高。VSM的缺点1、只能开路测量－退磁修正；2、样品大小、位置影响测量结果。振动样品磁强计VSM19相关参考文献1.G.W.vanOosterhout,Appl.Sci.Res.,B6,101-104(1956)2.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,27,548(1956)3.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,30,548-557(1959)4.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,45,1181(1974)5.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,46,1425(1975)6.A.ZiebaandS.Foner,Rev.Sci.Instrum.,53,1344(1982)7.S.Foner,J.Appl.Phys.,38,1510(1967)8.S.Foner,J.Appl.Phys.,79,4740(1996)基于电磁铁的VSM的问题VSM20镜像效应（ImageEffect）当磁场高于某一值（纯铁极头为2.0T）时，磁化曲线突然下降。HM来源：1、极头磁化饱和所致。2、线圈与极头的几何位置有关Hall磁强计线圈信号＝样品信号＋电磁铁的镜像信号解决办法：1、不用极头；2、线圈远离极头