振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)

1、關(guān)于振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共26頁 1959年美國的S.Foner在前人的研究基礎(chǔ)上制成實(shí)用的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（Vibrating Sample Magnetometer 簡記為VSM）。由于其具有很多優(yōu)異特性而被磁學(xué)研究者們廣泛采用，并又經(jīng)許多人的改進(jìn)，使VSM成為檢測物質(zhì)內(nèi)稟磁特性的標(biāo)準(zhǔn)通用設(shè)備。 一、引言一、引言現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共26頁 如果將一個(gè)開路磁體置于磁場中，則此樣品外一定距離的探測線圈感應(yīng)到的磁通可被視作外磁化場及由該樣品帶來的擾動(dòng)之和。多數(shù)情況下測量者更關(guān)心的是這個(gè)擾動(dòng)量。在磁測領(lǐng)域，區(qū)分這種擾動(dòng)與環(huán)境磁場的方法有很多種。例如，可以讓被測樣品以一定方式振動(dòng)，探測

2、線圈感應(yīng)到的樣品磁通信號(hào)因此不斷快速的交變，保持環(huán)境磁場等其他量不做任何變化，即可實(shí)現(xiàn)這一目的?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共26頁 所謂“內(nèi)稟”磁特性，主要是按物質(zhì)的磁化強(qiáng)度而言的，即體積磁化強(qiáng)度(單位體積內(nèi)的磁矩)，和質(zhì)量磁化強(qiáng)度(單位質(zhì)量的磁矩)。設(shè)被測樣品的體積為（或質(zhì)量為），由于樣品很小，如直徑的小球，當(dāng)被磁化后，在遠(yuǎn)處，可將其視為磁偶極子，如將樣品按一定方式振動(dòng)，就等同于磁偶極場在振動(dòng)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共26頁 于是，放置在樣品附近的檢測線圈內(nèi)就有磁通量的變化，產(chǎn)生感生電壓。將此電壓放大變成直流并加以記錄，再通過電壓磁矩的已知關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)內(nèi)置計(jì)算程序，即可即時(shí)求出被測樣品的或，并顯

3、示在電腦屏幕上，自動(dòng)打點(diǎn)，畫出圖象?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共26頁振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展歷史 1956,G.W.van Oosterhout,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(國際電工委員會(huì))推薦為測量鐵氧體材料飽和磁化強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法之一. 1960s,鎖相放大技術(shù)(1930s)的使用. 1980s,自動(dòng)控制技術(shù)廣泛使用 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共26頁 如圖所示，體積為、磁化

4、強(qiáng)度為的樣品沿軸方向振動(dòng)。在其附近放一個(gè)軸線和軸平行的多匝線圈，在內(nèi)的第匝內(nèi)取面積元dSn，其與坐標(biāo)原點(diǎn)的矢徑為rn，磁場沿方向施加。ndSLSXHZnrY振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)檢測原理圖二、振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)的理論基礎(chǔ)二、振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)的理論基礎(chǔ)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共26頁ndSLSXHZnrY振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)檢測原理圖 由于的尺度與 rn 相比非常小，故在空間的場可表為偶極場形式： 5334nnnnrrMrMVrH現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共26頁 注意到，值有分量，則可得到檢測線圈內(nèi)第匝中dSn面積元的磁通為：ndSLSXHZnrY振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)檢測原理圖nnnnnZndSrVZMXdSHd50043其中為0真空磁

5、導(dǎo)率?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共26頁而第匝內(nèi)的總磁通則為 ：ndSLSXHZnrY振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)檢測原理圖nnnnnndSrVZMXd5043現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共26頁ndSLSXHZnrY振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)檢測原理圖整個(gè)L內(nèi)的總磁通則為 ：nnnnnnndSrVZMX5043現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共26頁 其中，Xn 為 rn 的 X 分量，不隨時(shí)間而變；Zn 為 rn 的 Z 軸分量，是時(shí)間的函數(shù)。為方便計(jì)，現(xiàn)在認(rèn)為S不動(dòng)而L以 S 原有方式振動(dòng)，此時(shí)可有：ataZZnnsin0 atKJatKMVatdSrZrXMVdtdtnnnnnncoscoscos5437220 為第n匝的坐標(biāo)，a為L

6、的振幅。由此可得到檢測線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓為：0nZ現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共26頁 顯然，精確求解上式是困難的，但從該方程卻能得到一些有意義的定性結(jié)論，那就是：檢測線圈中的感應(yīng)電壓幅值正比于被測樣品的總磁矩J=MV或J=m。 以下是中國科學(xué)計(jì)量科學(xué)研究院的計(jì)算方以下是中國科學(xué)計(jì)量科學(xué)研究院的計(jì)算方法，請看下一頁。法，請看下一頁?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共26頁 假設(shè)一個(gè)小樣品具有磁矩m并可被等同為一個(gè)點(diǎn)，并將該樣品放在一個(gè)半徑為R的檢測線圈平面內(nèi)，即可按照前面所說的一個(gè)偶極子處理，即一個(gè)小環(huán)形電流，其電流強(qiáng)度為im，面積為A。因此m=Aim。以探測線圈為原點(diǎn)，設(shè)偶極子所在位置為（x0，y0）。 現(xiàn)在

7、學(xué)習(xí)的是第十四頁，共26頁 再假設(shè)在檢測線圈中同時(shí)存在一個(gè)電流is , 此時(shí)，這兩個(gè)環(huán)形電流可以互相耦合。類似于互感器，他們之間具有互感系數(shù)M，兩者之間的磁通為ms=Mis 或者sm=Mim，前者為從線圈鏈向磁偶極子的磁通，后者相反。 探測線圈在磁偶極子處產(chǎn)生平行于Z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz(x0，y0)。這里我們定義一個(gè)重要的特征參數(shù)-探測線圈常數(shù)K(x0,y0)=Bz(x0,y0)/is.從線圈鏈向磁偶極子的磁通還可以寫為ms=Bz(x0,y0)A?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共26頁 則互感系數(shù)可以寫為：AyxKAiyxBMsz0000,/,于是偶極子鏈向探測線圈的磁通最終可以寫為:myxKsm00

8、,推而廣之，如果偶極子處于更一般的位置(x, y, z),則有：zzyyxxmzyxKmzyxKmzyxKmzyxK,現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共26頁 如果這個(gè)偶極子以dr/dt的速度移動(dòng)，那么探測 線圈中產(chǎn)生的即使感應(yīng)電壓則為： dtdrmBgradidtdtus/1其中g(shù)rad為靈敏因子，并且： zrKyrKxrKgrad 經(jīng)過進(jìn)一步的簡化(可登陸查詢)，探測線圈中產(chǎn)生的即時(shí)感應(yīng)電壓變?yōu)椋含F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共26頁dtdxdrxrgVmtxuxx3, 可見，樣品的尺寸大小直接影響磁性的測量，不宜過大。如果X軸方向尺寸過大，將會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)減弱，甚至為零?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共26頁 前

9、面介紹的為振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的基本原理。要將這些原理變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，以下裝置必不可少:1、穩(wěn)定、可靠的振動(dòng)系統(tǒng)2、數(shù)字化控制的磁場源(超導(dǎo)線圈或電磁鐵)3、鎖相放大器，用于線圈感應(yīng)信號(hào)的選頻和放大4、輔助同步信號(hào)源，與樣品振動(dòng)同頻率，用來精 確控制樣品振幅5、磁場測量系統(tǒng)6、控溫系統(tǒng)(如果需要測量溫度特性)三、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)儀器結(jié)構(gòu)和工作原理三、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)儀器結(jié)構(gòu)和工作原理現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共26頁真空泵 VSM結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖 自 動(dòng) 控制 技 術(shù) 廣 泛使 用 ， 增 加了 鎖 相 放 大技 術(shù) 、 相 敏檢 波 技 術(shù) 。 X-Y記錄系 統(tǒng) ， 高 級(jí) 電子 計(jì) 算 機(jī)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和

10、溫控氣體（液氮）真空泵現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共26頁 振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，主要的部件如上圖所示，其中循環(huán)水這一環(huán)節(jié)非常重要，用來冷卻電磁鐵，否則會(huì)燒壞電磁鐵內(nèi)部線圈。 振動(dòng)頭按照一定得頻率振動(dòng)，樣品安裝在與振動(dòng)頭相接的振動(dòng)桿尖端，尖端處于電磁鐵的中央。具體使用時(shí)，會(huì)進(jìn)行校準(zhǔn)，選取最佳位置。 在測量的過程中，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)檢測到擾動(dòng)，計(jì)算出相應(yīng)的磁矩，并進(jìn)行打點(diǎn)，平均每打一個(gè)點(diǎn)，會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)3-5分鐘，比起以往的磁性測量，我們現(xiàn)在普遍使用的是美國的LakeShore-VSM，它在測試的過程中沒有零點(diǎn)漂移，而且噪音小，受外界影響小，所以測出的結(jié)果相對準(zhǔn)備度較高?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共26頁四、測試樣品

11、的準(zhǔn)備四、測試樣品的準(zhǔn)備 VSM開路測量的優(yōu)勢之一即是對樣品的形狀不做嚴(yán)格要求，只需在測量前將樣品切成直徑大概在2-3mm的小顆粒就可。對于粉末和液體樣品，測量時(shí)應(yīng)該用專用膜包裝成小粒，切記不能超過振動(dòng)桿樣品室的尺寸。各種閉路方法無法測量的樣品形狀，只要設(shè)法進(jìn)行合適的自退磁場和溫度修正，都能夠有效測得樣品的磁特性?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共26頁 為避免電磁鐵燒壞，所以在開機(jī)時(shí)一定要注意，先開循環(huán)水，然后再相應(yīng)打開各部件。 在測量過程中，外部環(huán)境的溫度可能會(huì)直接影響到樣品的磁特性，所以，在樣品安裝處，接了真空泵并即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免樣品和外部空氣有直接接觸。 室內(nèi)環(huán)境溫度一般要保持恒定，我們一般采用空調(diào)進(jìn)行設(shè)定，在測量中，保持室內(nèi)干凈整潔，無工作之外噪音，測試人員開機(jī)后，應(yīng)即時(shí)撤出?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共26頁四、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的應(yīng)用四、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的應(yīng)用 振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)最初是由弗尼爾(S.Foner)提出的。他對磁強(qiáng)計(jì)的結(jié)構(gòu)，各種探測線圈及其對靈敏度的影響都作了詳細(xì)的論述。經(jīng)過約半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，如今VSM己是磁性實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用范圍很寬的測試設(shè)備，自從鎖相放大技術(shù)開始在VSM上得到應(yīng)用以來，使其靈敏度得到了極大范圍的提升，適用范圍也不斷得到拓展?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共26頁