Установка для измерения магнитной восприимчивости

Назначение установки.

Установка предназначена для измерения температурных зависимостей магнитной восприимчивости ξ(Т) материалов модуляционным методом в слабом магнитном поле в диапазоне температур 24 – 240 К.

Общие сведения и принцип работы.

Одной из самых распространенных экспериментальных установок для измерения магнитной восприимчивости материалов ξ является АС-магнитометр или магнитометр переменного тока, реализующий модуляционную методику измерений.

Установка состоит из:

  • Криогенной вставки, помещенной в дьюар с криогенной жидкостью (азот или гелий в зависимости от необходимого диапазона температур);
  • Контроллера АС-МС-24 (КРИОТЭЛ);
  • Синхронного детектора SR830 (Stanford Research) или аналога;
  • Персонального компьютера с установленным программным обеспечением.

Принципиальная блок-схема настоящей установки АС-магнитометр представлена на рисунке. Переменное магнитное поле Н создается модуляционной катушкой 1, подключенной через контроллер AC-MC-24 (далее контроллер), играющий роль усилителя, к внутреннему генератору синхронного детектора SR830 (далее синхронный детектор). Указанное модуляционное магнитное поле Н наводит в приемных катушках 2 переменную ЭДС той же частоты. Приемные катушки 2 имеют равное количество витков и включены навстречу друг другу так, чтобы без образца сигнал с астатической пары был почти равен нулю (компенсационная схема). В области одной из приемных катушек поверх модуляционной катушки 1 намотаны две компенсационные катушки 3, на которые подаются два сигнала с контроллера – один синфазно с сигналом модуляции, другой – со сдвигом по фазе на 900. Окончательная компенсация измерительной схемы в отсутствии образца достигается управлением с передней панели контроллера амплитудой указанных сигналов. При размещении образца в верхней приемной катушке на выходе схемы возникает переменная ЭДС, величина которой пропорциональна намагниченности образца М.

Таким образом, при постоянной амплитуде модулирующего магнитного поля Н сигнал на выходе приемных катушек оказывается пропорциональным искомой восприимчивости ξ с постоянным коэффициентом.

Связанный с восприимчивостью образца сигнал раскомпенсации с приемных катушек подается на синхронный детектор, который его усиливает и выделяет компоненту, имеющую частоту, строго равную частоте модулирующего сигнала (подаваемого с внутреннего генератора того же синхронного детектора) и заданный сдвиг фазы относительно него.

Таким образом, синхронный детектор измеряет амплитуду полезного сигнала от образца, почти полностью игнорируя шумы и паразитные наводки за счет процедуры детектирования, что позволяет значительно повысить чувствительность установки. Далее сигнал, пропорциональный восприимчивости образца, передается по интерфейсу RS-232 на компьютер в измерительную программу.

Температура образца измеряется платиновым термометром сопротивления 5, находящимся в непосредственной близости с образцом внутри приемной катушки. Нагрев измерительной ячейки с образцом и термометром осуществляется при помощи нагревателя 6, намотанного бифилярно на сапфировом держателе. Измерение сопротивления термометра и управление током нагревателя осуществляет контроллер, также подключенный по интерфейсу RS-232 к компьютеру. Развертка тока нагревателя может осуществляться как в ручном режиме ручкой развертки на лицевой панели контроллера, так и в автоматическом режиме компьютерной программой.

Зависимость ξ(Т) может измеряться как при нагреве измерительной ячейки (увеличение тока нагревателя), так и при охлаждении (уменьшение тока нагревателя). При этом приемные и модуляционная катушки находятся в криогенной жидкости (азот или гелий, в зависимости от необходимого диапазона температур), что необходимо для уменьшения раскомпенсации измерительной системы при изменении температуры.

Блок-схема установки для измерения магнитной восприимчивости:

  1. соленоид, создающий внешнее магнитное поле
  2. приемные катушки (астатическая пара)
  3. компенсационные катушки
  4. образец
  5. платиновый термометр
  6. нагреватель

Технические характеристики

Диапазон температур (К) 24-240
Точность измерения температуры, не хуже1 (К) 0.2
Максимальная скорость развертки мощности,
рассеиваемой нагревателем (мВт/сек) 		10
Максимальный ток нагревателя (А) 1
Точность установки тока нагревателя (мА) 2
Сопротивление нагревателя (Ом) 30
Максимальный диаметр образца (мм) 4
Максимальная высота образца (мм) 7
Чувствительность1 (ед. СГСМ) 10-3
Интерфейс ПК RS-232
Напряжение сети (В) 220

1 – максимальные точность измерения температуры и чувствительность установки достигаются при минимальной скорости развертки мощности, рассеиваемой нагревателем.

Передняя панель контроллера AC-MC-24

  1. цифровой индикатор температуры измерительной ячейки
  2. цифровой индикатор тока нагревателя измерительной ячейки
  3. выключатель и ручка ручной развертки тока нагревателя
  4. ручка регулировки амплитуды и переключатель полярности сигнала компенсации, синфазного с модулирующим магнитным полем
  5. ручка регулировки амплитуды и переключатель полярности сигнала компенсации, сдвинутого по фазе на угол φ = 900 относительно модулирующего магнитного поля

SINE IN – Разъем для подключения генератора синхронного детектора

INSERT – Разъем для подключения измерительной вставки

Программное обеспечение.

Управление экспериментом осуществляется программой персонального компьютера в набор функции которой входит следующие основные действия:

- опрос приборов и сбор информации о текущих значениях температуры и амплитуд основного и сдвинутого по фазе на угол φ=900 сигналов, визуализация полученных данных,

- построение по полученным данным графика зависимости указанных сигналов от температуры и запись данных в файл,

- линейная развертка мощности, рассеиваемой нагревателем в зоне ячейки с образцом, с заданной в программе скоростью (0 – 10 мВт/с).

Помимо указанных основных функций в программе предусмотрены следующие дополнительные возможности:

- включение и отключение визуализации и записи в файл сдвинутого по фазе на угол φ=900 сигнала,

- изменение масштаба и автомасштабирование графика,

- очистка графика от предыдущих данных (при этом данные из файла не стираются),

- мгновенный сброс тока нагревателя.

Также в программе предусмотрена защита от перегрева ячейки с образцом: при достижении температуры Т = 280 К (значение задается в файле инициализации) ток нагревателя автоматически сбрасывается.

Окно измерительной программы




©2015 КРИОТЭЛ