Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы и устройства магнитоэлектроники. Лабораторный практикум
.pdf
Если на прецессирующий спиновый магнитный момент воздейст-
z
ihy
А
3
0
0,
μ
вовать переменным электромагнитным полем с частотой близкой к
ω
, то в случае совпадения направления вращения вектора магнитно-
0
го поля электромагнитной волны и направления вращения спина,
амплитуда прецессии последнего будет возрастать за счет энергии,
отбираемой спином у электромагнитного поля.
Это явление называется ферромагнитным резонансом (ФМР). Макроскопическое проявление ФМР состоит в том, что образец из ферромагнитного материала, находящийся под
одновременным воздействием
постоянного магнитного и переменного СВЧ поля определенной частоты при ω = ω
интенсивно поглощает энергию поля СВЧ, что сопровож-
0
дается увеличением затухания в передающей линии.
Энергия поля СВЧ в результате сложных спин-решеточных взаимодействий переходит в тепловую энергию колебаний решетки ферромагнетика.
Следует отметить, что наблюдение ФМР в классических металлических ферромагнетиках (железо, кобальт, никель, их сплавы) возможно, но затруднено
явлением скин-эффекта для полей СВЧ. Наиболее удобно реализовать ФМР в магнитных полупроводниках –
ферритах, которые сочетают высокие магнитные свойства с большим
удельным электросопротивлением. Информация, получаемая методом ФМР, является важным средством исследования структуры и
свойств ферритов, применяемых в СВЧ технике.
Тензор магнитной проницаемости
Безграничная ферритовая среда, непроводящая, однородно намагни-
ченная
нее постоянное поле Н
до насыщения – вот наша рабочая модель. Положим, что внеш-
направлено по оси Z:
вн
НН=
вн
, а электромаг-
нитное поле распространяется в направлении Y и имеет вид
Аe=
. (2.4)
0
При этих условиях магнитная проницаемость феррита является
тензором вида [1]:
i
μ−μ
12
i
μ=μ μ
21
(2.5)
00
′
где любая μ
= μ
i
+ iμ
i
″
.
i
21
Компоненты тензора магнитной проницаемости определенным
2222 22
β
β
2222 22
4( )
β
β
2222 22
4( )
β
β
2222 22
β
β
;0,356,
f
r
γ
образом зависят от частоты электромагнитного поля и величины
внутреннего постоянного поля Н
нитного материала: намагниченности насыщения 4π
, а также от параметров ферромаг-
0
Μ
и обобщен-
S
ного параметра резонансных потерь ΔН. Например,
222
+Δ −β
()
'
μ= + π
14
1
M
HH H
S
00
+Δ −
()4
HH H
0
+Δ
, (2.6а)
222
0
, (2.6б)
+Δ
222
S
0
, (2.6в)
+Δ
4
MHH
πβΔ
S
0
, (2.6г)
+Δ
если f выражено в мегагерцах.
ωπ
β= = β=
где
"
μ=
1
'
μ=
2
"
μ=
2
2
f
S
()4
HH H
+Δ −
0
MH H
πβ −Δ −β
+Δ −
()4
HH H
0
()4
HH H
+Δ −
0
MHH H
πΔ +Δ +β
γγ
Параметр ΔН можно связать с частотой релаксации ω
нитного резонансного поглощения
ω
Δ=
Н
, (2.7)
или придать ΔН смысл коэффициента мнимой части комплексного
внутреннего магнитного поля:
Н
= Н0 – iΔН. (2.8)
к
ферромаг-
r
Из выражений (2.6б) и (2.6г) при ферромагнитном резонансе, когда
2
2
ΔН
+Н
= β2, можно показать [1], что максимальные резонансные зна-
0
″
чения μ
ные по оси Н
″
= μ
, а также ширины резонансных кривых μ
1
2
на половине μ
0,
Поскольку мнимые составляющие компонент тензора проницаемости
определяют магнитные потери в феррите, отсюда вытекает возможность измерения ΔН по зависимости резонансных потерь при ФМР от
22
″
″
и μ
, отсчитан-
1
″
практически одинаковы и равны 2ΔН.
max
2
поля Н0. При технических измерениях, как правило, считают шириной
кривой ФМР величину Н
– Н1 = 2ΔН, измеренную на некотором уровне
2
резонансной кривой затухания СВЧ сигнала (обычно близком к половине высоты этой кривой) (рис. 2.1).
Рис.2.1. Зависимость относительных эффективных магнитных
проницаемостей μ
нем (б) от напряженности постоянного магнитного поля
′
′
и μ
– в феррите (а) и затухания СВЧ сигнала в
+
-
23
Кроме ΔН важными параметрами ФМР являются: значение резо-
,
/см]1,4 [Э]
22
(5) ,
Kd
нансного поля Н
связана с μ
″
max
.
и величина максимальных потерь Р
рез
которая
max,
Соотношение
μ
ΔН= 4πM
max
S
(2.9)
″.
связывает резонансные параметры материала с величиной статической намагниченности. Следовательно, факторы, воздействующие на
величину намагниченности феррита, будут влиять и на параметры
ФМР. Величина ΔН существенно зависит от химического и фазового
состава феррита, его однородности. Значительное уширение линии
ФМР вызывают немагнитные включения, в том числе пористость,
наличие в составе так называемых
сильным спин-орбитальным взаимодействием, таких как Со
быстрорелаксирующих катионов с
2+
, Fе2+,
некоторые РЗМ катионы. Чем больше константа эффективной магнитной анизотропии, тем, как правило, выше и величина ΔН.
Резонансное поле Н
несет информацию о величине К
рез
– константе
эфф
эффективной анизотропии, о величине эффективного g-фактора. Ранее
мы приняли g
= 2, но можно экспериментально определить g
S
эфф
пользуясь соотношением [2]:
ff
g
==
эфф
1, 75 [А
oo
HH
pез pез
(2.10)
,
где f
Как показано А.Г. Гуревичем [3], для сферы резонансное поле яв-
ляется размерно чувствительным параметром
где 4πM
Таким образом, параметры ФМР, с одной стороны, необходимы
для проведения электродинамических расчетов ферритовых уст-
24
– частота измерения ФМР, МГц;
0
– резонансное значение магнитного поля.
Н
рез
4
M
π
Н
– намагниченность насыщения, Гс;
S
ω
=+ ε+
рез
γ 90
S
(2.11)
ε – диэлектрическая проницаемость феррита;
К – волновой вектор в свободном пространстве, см
d – диаметр сферы, см.
–1
;
ройств (расчетов μ′ и μ″), с другой стороны, полезны как косвенная
[( )][( )]
x
H N NM H N NM
[ ( )][ ( )],
информация о структурном состоянии ферритовых материалов.
Методика измерения параметров ФМР
Сущность измерения параметров ФМР – регистрация изменения
СВЧ потерь, создаваемых ферритовым образцом в передающей линии при изменении намагничивающего поля (частота СВЧ фиксирована) или (реже!) при изменении частоты СВЧ поля
(фиксировано
намагничивающее поле). Существующие методики делятся на волноводные и резонаторные.
Для волноводных методик характерна невысокая чувствительность, но они просты для реализации и широкополосны. В резонаторных методиках фиксирована частота измерения, но они отличаются высокой чувствительностью и точностью. В России в качестве
стандартной принята рекомендованная Международной электротехнической
комиссией (МЭК) резонаторная методика измерения ΔН
ферритов на двух фиксированных частотах (3000 МГц и 9300 МГц)
[2]. Излагаемая ниже методика является существенно упрощенным и
менее точным вариантом стандартной резонаторной методики.
Форма и размеры образцов
Переходя от модели бесконечного феррита к более реальной модели конечного образца определенной формы, следует учесть необходимость соблюдения
некоторых требований. Магнитное поле Н0 в
образце не будет равно, в общем случае, внешнему магнитному полю
вследствие действия размагничивающих факторов формы.
Киттелем предложена формула для определения резонансной частоты в образце произвольной формы с известными факторами размагничивания:
где N
ω=γ − − + − , (2.12)
, Ny, Nz – размагничивающие факторы.
x
00
zS y zS
Из формул (2.1) и (2.3) можно заключить, что
HHNNMHNNM=−− +−
в 00
xzS yzS
откуда следует, что ФМР в ферритовых образцах разной формы наступит при разных значениях внешнего поля Н
Для наиболее употребительных образцов: пластин, дисков, стержней
и сфер размагничивающие факторы известны или легко определяются
из приближения малого эллипсоида вращения и условия
(2.13)
.
в
25
4.
4
3
,
6
5%
N =π
∑
i
В частности, для сферы
ляет избавиться от расчета Н
NNN
=== и Н
XYZ
, для которого требуется знание 4πMS. По-
в
π
= Н0, что позво-
в
этому сфера – наиболее удобный образец для измерения параметров
ФМР. Могут, однако, встретиться случаи, когда изготовить сферу
невозможно (например, измерение параметров ФМР тонких магнитных пленок), тогда следует использовать выражение (2.13).
Для безграничной среды мы полагали внешнее магнитное поле и
СВЧ поле однородными. Для выполнения этого требования в образцах конечных
размеров необходимо, чтобы их размеры были малы
по сравнению с длиной электрической волны в ферритовом материале. Критерием малого размера образца может быть, например, следующее неравенство:
ωπ
h
ε⋅μ≤
(2.14)
с
где с – электродинамическая постоянная;
h –
размер образца (в данном случае диаметр сферы).
Практически характеристики ФМР, как правило, измеряют на
сферических образцах диаметром 0,5…1,5 мм, в отдельных случаях
до 3 мм. Сферы изготавливаются из кусочков ферритов произвольной формы путем обкатки на абразивных поверхностях с различной
крупностью зерна абразива. Для повышения точности измерений,
особенно для малых (< 50 Э) значений 2ΔН, существенна величина
несферичности (
ddΔ
) и чистота обработки поверхности сфер
≤
(∇7 – ∇ 12),
так как любая неоднородность поверхности образца ве-
дет к уширению линии ФМР.
Положение образца в магнитном поле
Хотя резонансную зависимость потерь от частоты или напряженности поля имеют μ
или μ
″, практически всегда трудно. Определенный физический
2
″ и μ2″, разделить потери, обусловленные μ1″
1
смысл имеют не сами эти компоненты тензора, а их комбинации, определяемые в конкретных задачах взаимным расположением в пространстве векторов магнитного переменного поля СВЧ и внешнего
подмагничивающего поля (т.е. вектора намагниченности феррита).
26
Эти комбинации компонент тензора называются эффективными маг-
HHz
h
12 212 12
().
μ=μ+μ=μ+μ=μ+μ
μ+μ
h
b
1212 12
()
μ=μ−μ=μ−μ
μ−μ
1
μ
2
μ
x
h
22
11
()()
μμ
μ
1
μ
нитными проницаемостями.
Рассмотрим важнейшие эффективные магнитные проницаемости
для случая, когда ферритовый образец намагничен по оси Z, т.е
, а вектор переменного магнитного поля волны Н
=
вв
в пря-
10
моугольном волноводе лежит в плоскости ХОY (см. рис. 1.2). В одном из сечений круговой поляризации вектора магнитного поля при
совпадении направления вращения вектора
с направлением пре-
цессии вектора намагниченности магнитная проницаемость феррита
имеет вид
++
′′′′′ ′′′′
ii
+
(2.15)
При этом обеспечивается эффективное взаимодействие феррита с
электромагнитной волной (см рис. 2.1, а). В противоположном сечении круговой поляризации, где направления вращения векторов
противоположны, эффективная проницаемость имеет вид
−
В силу отмеченного ранее подобия
′ ′ ′′ ′′
i
+
′′
и
. (2.16)
′′
в окрестностях резо-
и
нансной точки μ″ не имеет резонансной зависимости от поля (см.
рис. 2.1, а).
В центре волновода переменное магнитное поле линейно поляри-
зовано в направлении X –
. Для образца в центре волновода эф-
фективная магнитная проницаемость феррита имеет вид
′′′
μμ
Зависимость
рис. 2.2).
(
′′′′ ′′
μ=μ+μ=μ− +μ−
⊥⊥ ⊥
ii
от поля имеет резонансный характер, как и
′′
⊥
22
11
′′′
. (2.17)
′′
Образец, расположенный в центре волновода, в отличие от положения в сечениях круговой поляризации, взаимодействует с переменным полем волны, распространяющейся как в прямом, так а в
обратном направлениях. Если коэффициент затухания, создаваемый
образцом в прямой волне D, то общий коэффициент затухания мощности в короткозамкнутом волноводе равен D
2
. Это позволяет увели-
чить чувствительноcть метода.
27
Рис. 2.2. Зависимость относительных магнитных проницаемостей μ1 и
в феррите от напряженности магнитного поля
μ
⊥
При измерениях в резонаторе образец также помещается в центре,
где магнитное поле квазилинейно, и взаимодействие феррита с магнитным полем максимально эффективно.
При измерении неизотропных (монокристаллических) образцов
существенно также положение в них осей легкого и трудного намагничивания относительно направления внешнего поля Н
. Принято
в
считать исходным положением для измерений такое, когда по полю
Н
направлена одна из осей легкого намагничивания материала. Что-
в
бы сфера могла установиться в таком положении, ее закрепляют в
капле жидкого клея в магнитном поле (клей застывает, фиксируя
сферу в направлении легкого намагничивания) или помещают ее в
оправку, допускающую свободный поворот сферы. В первом случае
можно после закрепления сферы исследовать угловые зависимости
параметров ФМР, что существенно для монокристальных образцов
или для поликристаллов с магнитной текстурой какого-либо рода.
2.3. Описание установки
Основными
элементами установки, блок-схема которой приведена
на рис. 2.3, являются:
–
генератор СВЧ (1) сигналов типа Г3-14. Порядок настройки ге-
нератора изложен в лабораторной работе 1. Частота ненагруженного
резонатора указывается преподавателем или рассчитывается по длине резонатора;
28
– прецизионный калибровочный аттенюатор Д5-5 (2) служит для
установки начального уровня затухания и точного измерения резонансных потерь в образце;
измерительный резонатор (3), проходной, выполненный из пря-
–
моугольного волновода 23×10 мм с колебаниями типа Н
, с отвер-
120
стием в боковой стенке для держателя ферритового образца;
–
электромагнит (4), регулируемый в пределах 0…4400 Э;
детекторная секция (5);
–
–
регулируемый источник постоянного тока (6) – выпрямитель
ВС5К;
индикаторный прибор (7);
–
–
добавочное сопротивление (8).
Применение двухкоординатного самопишущего потенциометра
ПДС-021 позволяет записать кривую поглощения сигнала при ФМР в
координатах «амплитуда сигнала – ток электромагнита». Используя
для работы квадратичный детектор и линейный участок кривой намагничивания электромагнита, можно отградуировать эту кривую в
координатах: «потери (дБ) – напряженность магнитного поля». Градуировку по шкале потерь можно выполнить с помощью аттенюатора 2, по шкале магнитного поля с помощью измерителя магнитной
индукции Е11-3.
2.4. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
• Ознакомьтесь с общими указаниями по охране труда и руково-
дствуйтесь или при выполнении работы.
•
На входных(сетевых) клеммах выпрямителя ВСА-5К напряже-
ние 220 В, на выходных клеммах до 70 В. Не прикасайтесь к клеммам выпрямителя даже если он выключен!
Вблизи электромагнита запрещается оставлять или проносить мас-
•
сивные стальные предметы (отвертки, ключи, плоскогубцы и т.п.).
Снимите и уберите наручные часы и документы с магнитной по-
•
лосой, поле рассеяния электромагнита может вывести их из строя.
Включить генератор ГЗ-14А, прогреть его 30 мин.
1.
2.
Включить индикаторный прибор, прогреть его 5 мин.
29
,,,,,.
μμμ μ μ μ
Рис. 2.3. Блок-схема установки для измерения параметров ФМР
3. Настроить генератор Г3-14А на частоту резонатора (указанную
преподавателем или приближенно рассчитанную по длине резонатора). После окончания настройки генератора, ориентируясь на максимальное отклонение стрелки индикатора, ручками «Частота» и «Отражатель» подстроить генератор в резонанс с резонатором.
4.
Подкорректировать настройку генератора ручками «Коррекция» и «Отражатель», после чего определить частоту резонатора по
внутреннему волномеру генератора.
5.
Установить начальное затухание аттенюатора 2…10 дБ.
Ввести в резонатор держатель с ферритовым образцом на глу-
6.
бину 12 мм (до риски на держателе).
7.
Включить источник. питания электромагнита, предварительно
убедившись, что регулятор выпрямителя выведен в крайнее левое
положение.
8.
Плавным поворотом регулятора выпрямителя наращивать ток в
цепи электромагнита, следя за движением каретки ПДС-021. После
того как перо самописца вычертит кривую ФМР и уровень потерь
достигнет начального (при поле Н
магнита поворотом переключателя «I
9.
Заменить диаграммную бумагу на индикаторном приборе,
=0), выключить питание электро-
в
…0…IIст» в положение «0».
cт
включить питание электромагнита и уменьшая ток от максимального
до нуля, записать кривую ФМР в обратном направлении.
Задание
1. Измерить параметры ФМР (ΔН, Р
тов разных марок.
2.
Пользуясь справочными данными [4] для измеренных образцов,
по стандартной программе рассчитать на ЭВМ резонансные зависимости эффективных магнитных. проницаемостей
30
max
, Н
двух образцов ферри-
рез)
′′′′ ′′′ ′′
12
++−−
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]