几种常用的磁性测量仪器(II)-2004年

1、常用磁性测量仪器（II）（共78页）,磁性信号的测量仪器（II）磁力学效应,关注,磁力学效应包括哪些物理现象？磁力学效应可测哪些参数？磁各向异性的测量极弱磁矩信号的测量方法磁天平磁致伸缩效应,磁力效应,MagnetomechanicalEffect(磁力学效应)MagnetostaticForce(静磁力)MagneticTorsion(扭矩),磁力效应,磁力1,原理（一）把含有磁矩m的物体放在非均匀的磁场中时，物体将受到沿磁场梯度方向的力的作用。此力的大小正比于磁场梯度和物体的磁矩。,m为样品的磁矩,为沿任意轴向的磁场梯度,磁矩m沿任意轴向所受的力：,磁天平,磁力效应,磁力2,原理（二）当具

2、有磁各向异性的物体在磁场中转动时，物体将受到转矩L的作用。其大小等于磁场强度与垂直于磁场方向磁化强度分量的乘积。,V为样品的体积,为与磁各向异性相关的能量,转矩与磁各向异性的关系：,转矩磁强计,磁力效应,磁力3,原理（三）当磁性材料在磁场中被磁化时，材料的力学性质发生变化的效应。也存在逆效应。这里通称为磁致伸缩效应。,可以是样品的体积、长度、弹性模量、刚度系数，等等。,磁致伸缩系数：,磁致伸缩仪,磁力效应,磁力4,原理（四）Barnett效应（1915年）当磁性圆柱体在绕其柱轴作高速旋转时会产生微弱的磁化强度，其大小与角速度成比例。即，旋转致磁化效应。EinsteindeHass效应（1915

3、年）当自由悬挂的磁性圆柱体突然被磁化时会产生微弱的旋转。即，磁化致旋转效应。是Barnett效应的逆效应。,旋磁比,磁力效应,磁力5,相应的磁性测量仪器,磁各向异性,磁各向异性：magneticanisotropy,相同磁场强度时，磁化强度的方向相关性,沿不同方向磁化时，磁化曲线及达到饱和的磁场强度不同,或者,磁各向异性的测量,磁各向异性的测量,转矩磁强计,TorqueMagnetometer(Tq-M),talk,磁各向异性的测量,转矩磁强计,Torque1,转矩磁强计的原理,H,晶轴方向,磁化强度M方向,磁场H、磁化强度M、晶轴三者重合在一个方向,H,磁场H、磁化强度M、晶轴三者不重合,初

4、始方向,样品,样品,转矩磁强计,Torque2,转矩磁强计的原理,样品：饱和磁化,转矩磁强计,Torque3,仪器设备,TRT2型转矩磁强计：日本东英工业株式会社，1985年,TorqueMagnetometer：美国QuantumDesign公司，2002年,详见本系列的PPMSTq_Mag,HR,转矩磁强计,Torque4,PPMS的转矩磁强计,磁转矩测量的要求,Torque5,磁场强度：样品饱和磁化,H,M,Easyaxis,0,测量过程：补偿非补偿,补偿：施加补偿扭矩使样品保持在原方向,非补偿：直接测量样品所受到的扭矩,当外加磁场相对于样品旋转时，,PPMS的MicroTq,一般转矩磁

5、强计,使得转矩不依赖于磁场的强度,磁转矩测量的要求,Torque6,样品：晶轴取向,H，M,单晶体取向多晶,单位：量程,力矩单位：Nm,1Nm1J1Am2T1103emuT,PPMS的TqMag上限：1105Nm1102emuT,7104emuat14T,噪声：1109Nm,7108emuat14T,奇点探测法,SingularPointDetection(SPD),非磁力效应,补充,磁化曲线方法,磁晶各向异性的测量,SingularPointDetection(SPD),本质：磁化曲线的测量磁各向异性等效场,原理：材料的磁化强度M对磁场强度H的n次导数dnM/dHn是磁场强度H的函数，当H等

6、于材料的各向异性场HA时，dnM/dHnH曲线会出现尖锐的奇点。求导次数n取决于沿各向异性场HA方向晶体的对称性。单轴各向异性的难磁化方向的n2。,SPD1,SingularPointDetection(SPD),SPD技术的发展状况：文献,SPD2,SingularPointDetection(SPD),Sucksmith_SPD技术说明,假设：1、材料具有单轴磁各向异性；2、材料为单晶体或者取向多晶体；3、磁场沿着材料的难磁化方向,“Themagneticanisotropyofcobalt”,Sucksmith和Thompson在1954年并没有提出SPD检测技术,SPD3,Singul

7、arPointDetection(SPD),Sucksmith_SPD技术说明,Stoner关系式：,六角Co难磁化轴的磁化曲线：,立方Co难磁化轴的磁化曲线：,使用磁天平,SPD4,SingularPointDetection(SPD),Sucksmith_SPD技术说明,Sucksmith方法的示意图,H,M,HA,SPD5,SingularPointDetection(SPD),Asti_SPD技术说明,“NonanaliticityoftheMagnetizationCurve:ApplicationtotheMeasurementofAnisotropyinPolycrystalli

8、neSamples”,“Singularpointsinthemagnetizationcurveofapolycrystallineferromagnet”,Asti和Rinaldi在1972年首次提出SPD检测技术,Asti和Rinaldi在1974年给出SPD的理论结果,SPD6,SingularPointDetection(SPD),Asti_SPD技术说明,x,caxis,harddirection,SPD7,SingularPointDetection(SPD),Asti_SPD技术说明,各向异性能量：,平衡条件：,SPD8,SingularPointDetection(SPD),

9、Asti_SPD技术说明,约化磁化强度：,随机取向的多晶体：,磁化强度t对磁场强度的一阶导数：,积分下极限：,积分上极限：,0有奇点,SPD9,SingularPointDetection(SPD),Asti_SPD技术说明,磁化强度t对磁场强度的二阶导数：,最高求导次数n*的确定：,其中，S，和P()为依赖于材料晶体对称性的常数。,H/HA,1,0.5,2,SPD10,SingularPointDetection(SPD),磁学室有一台自建脉冲磁场SPD装置（M05组）,电源,C,/t,A,dt,A,检测系统,M/t,H/t,I,样品,SPD11,2003年转给内蒙古师范大学,磁天平,Mag

10、neticBalance(MB),磁矩的测量,磁天平,磁天平1,一、梯度磁场的产生,磁天平,磁天平2,二、力的测量,直接测量力的方法,利用力敏换能器件,磁天平,磁天平3,三、测量方式：绝对测量相对测量,绝对测量法：直接测量磁场梯度H/z、样品质量M及所受到的力F，确定磁矩。不使用标准样品对磁矩进行定标，,相对测量法：使用标准样品对磁矩进行定标，通过比例常数，确定磁矩。,磁天平,磁天平4,四、磁天平的历史评价,最早用于测量材料的磁矩与磁化率；M.Faraday（1855年）P.Curie（1895年）对磁场强度、磁矩进行绝对测量；L.G.Gouy（1895年）种类最多的磁性测量仪器。,磁天平,磁

11、天平5,四、磁天平的类型（一）,磁天平,磁天平6,四、磁天平的类型（二）,磁天平,磁天平7,四、磁天平的类型Faraday法,Sucksmith环秤,电磁换能器应变电阻换能器电容换能器,电磁秤,适合于球形小样品特殊设计的磁铁极头,磁天平,磁天平8,四、磁天平的类型Gouy法,截面积A,磁场H：可精确测量；截面积A：可精确测量；作用力F：可精确测量；样品：径向严格均匀；粉末须压实；重复性：较差,磁天平,磁天平9,四、磁天平的类型总结,磁天平,磁天平10,磁学室的磁天平,交变梯度磁强计,Alternating(MagneticField)GradientForceMagnetometer(AGFM

12、),磁矩的测量,振动样品磁强计,超导量子磁强计,AGFM,灵敏度高,成本低,交变梯度磁强计,AGFM1,交变梯度磁强计的本质交变梯度磁强计的历史交变梯度磁强计的原理交变梯度磁强计的仪器交变梯度磁强计的特点,交变梯度磁强计,AGFM2,交变梯度磁强计的本质,交变梯度磁场法拉第天平AlternatingMagneticFieldGradientFaradayBalance,交变梯度磁强计,AGFM3,交变梯度磁强计的研究历史,H.Zijlstra,Rev.Sci.Instrum.41,1241(1970)R.Reeves,J.Phys.E5,547(1972)W.Roos,K.A.Hempel,C

13、.Voight,H.Dedericks,R.Schippan,Rev.Sci.Instrum.51,612(1980)H.J.Richter,K.A.Hempel,J.Pfeiffer,Rev.Sci.Instrum.59,1388(1988)P.J.Flanders,J.Appl.Phys.63,3940(1988)Th.Frey,W.Jantz,R.Stibal,J.Appl.Phys.64,6002(1988)P.J.Flanders,Rev.Sci.Instrum.61,839(1990)K.OGrady,V.G.Lewis,D.P.E.Dickson,J.Appl.Phys.73,5

14、608(1993),交变梯度磁强计,AGFM4,交变梯度磁强计的研究历史,VibratingReedMagnetometer,AlternatingGradientForceMagnetometer,交变梯度磁强计,AGFM5,交变梯度磁强计的研究历史,交变梯度磁强计,AGFM6,交变梯度磁强计的开发历史,交变梯度磁强计,AGFM7,交变梯度磁强计的商业开发历史,PrincetonMeasurementsCorporationAugust1987,Princeton,NJ08540USAMicroMagTMMagnetometerSystemsJanuary1989,交变梯度磁强计,AGFM8

15、,交变梯度磁强计的原理,交变梯度磁强计,AGFM9,交变梯度磁强计的原理,z,y,x,纵向（水平）AGFM,z,y,x,（a）x方向,（b）y方向,交变梯度磁强计,AGFM10,交变梯度磁强计的原理,z,y,x,垂直（Vertical）AGFM,（c）z方向,交变梯度磁强计,AGFM11,水平AGFM与垂直AGFM的区别,水平AGFM,垂直AGFM,Bimorph,Wax?,QuartzFiberSampleRodSampleHolderSample,x,y,z,交变梯度磁强计,AGFM12,交变梯度磁强计的信号检测,锁相放大器（Lock-inAmplifier）,双压电晶片的本征共振频率f0

16、：,其中，tB、lB、Y11和分别为压电晶体的厚度、长度、杨氏模量和密度。,tB,lB,交变梯度磁强计,AGFM13,交变梯度磁强计的信号检测,安装样品后的共振频率f0：,其中，WB为压电晶体的质量，W为样品杆与样品以及其它部分的质量和。,质量WB,总质量W,交变梯度磁强计,AGFM14,交变梯度磁强计的信号检测,通过调节交变梯度磁场的驱动频率f，使检测系统处于共振状态，此时输出电压达到最大值。对磁矩电压之间的关系进行定标，就可以实现磁矩测量。,交变梯度磁强计,AGFM15,交变梯度磁强计的信号检测,双压电晶片本身的受力电压磁矩,tB,lB,G为机械增益，恒定磁场梯度时等于1，共振频率时等于机

17、械品质因数Q。g31为横向介电模量或者电压系数。,Brass,力,交变梯度磁强计,AGFM16,交变梯度磁强计的信号检测,加样品后的受力电压磁矩,lB,如果在样品端受力，那么双压电晶体的电压输出将增加(lB+l)/lB倍。,l,力,交变梯度磁强计,AGFM17,交变梯度磁强计的信号检测,lB,l,力,交变梯度磁强计,AGFM18,交变梯度磁强计的信号检测,是与交变梯度同相位的输出电压,是与交变梯度不同相位的输出电压,Q的确定：扫描频率f,交变梯度磁强计,AGFM19,交变梯度磁强计的信号检测,扫描频率f：,设定交变梯度的频率f=f0：,交变梯度磁强计,AGFM20,交变梯度磁强计仪器设备,Mi

18、croMagTMModel2900PrincetonMeasurementsCorporation,非商业产品（自制）如，中国科学技术大学,PrincetonMeasurementsCorporation,AGFM21,交变梯度磁强计,AGFM22,交变梯度磁强计的特点,磁致伸缩的测量,MeasurementsonMagnetostriction,形变的测量,磁致伸缩,磁化导致的磁性材料的弹性形变，其逆效应为压磁效应。,Magnetomechanical（磁力学效应）Magnetostriction（磁致伸缩效应）PiezomagneticEffect（压磁效应）Magneto-opticEffect（磁光效应）GyromagneticEffect（旋磁效应）,