幾種常用的磁性測量儀器

幾種常用的磁性測量儀器第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的產(chǎn)生與檢測磁性信號及其產(chǎn)生方式磁場的產(chǎn)生方法磁性信號的采集方法磁性信號的處理內(nèi)容信號1第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的定義磁學(xué)

所有的物質(zhì)都具有某種磁性磁性信號

僅限于物質(zhì)的磁性

有時需要人為產(chǎn)生磁性信號信號2第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的確認(rèn)帶有磁性信號的物體穿過由導(dǎo)線構(gòu)成的回路時，將有感生電動勢產(chǎn)生。在閉合回路中產(chǎn)生感生電流。帶有磁性信號的物體在非均勻磁場中將受到力的作用。信號3第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的產(chǎn)生方法信號4含有剩磁的物體

單疇磁性顆粒（單個）

已充磁的永磁材料

經(jīng)特殊加工工藝處理的物體在磁場中的物體

任何處于磁場中的物體第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁場的產(chǎn)生磁場磁場強度分布生物磁場天體磁場地磁場永磁體電磁鐵亥姆霍茲線圈超導(dǎo)磁體脈沖磁場第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的檢測目的信號5（基本）粒子的磁矩單原子、單分子的磁矩原子團、聚合物的磁性大塊材料：

(比)(飽和)磁矩(磁化強度、磁感應(yīng)強度)、

(內(nèi)稟)矯頑力、居里溫度、(最大)磁能積、磁化率、磁導(dǎo)率、磁疇、磁各向異性、

磁致伸縮，等等。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的檢測內(nèi)容磁性分類具體的物質(zhì)具有何種磁性磁性的變化規(guī)律～環(huán)境溫度、壓力、氣氛～外加電、磁場～時間信號7第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性信號的測量儀器信號8中子散射裝置、磁力顯微鏡磁－磁作用回旋共振、自旋共振(鐵磁共振儀、亞鐵磁共振儀、反鐵磁共振儀、電子自旋共振儀、核磁共振儀、M?ssbauer譜儀)共振效應(yīng)磁－光效應(yīng)磁－力效應(yīng)沖擊法振動樣品磁強計VSM提拉樣品磁強計ESM超導(dǎo)量子(SQUID)磁強計電磁感應(yīng)Faraday效應(yīng)Kerr效應(yīng)、Faraday效應(yīng)磁圓（線）振二向色譜儀磁轉(zhuǎn)矩儀、磁天平交變梯度磁強計AGFM第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁感應(yīng)原理FaradayLawofElectromagneticInduction第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁感應(yīng)原理面積A磁通量電磁感應(yīng)1第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁感應(yīng)原理磁通量電磁感應(yīng)2必須明確的幾個問題自由空間的穩(wěn)態(tài)磁通可以直接測量－磁通計樣品內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)磁通無法直接測量？變化的磁通可以直接測量如何產(chǎn)生變化的磁通如何測量變化的磁通第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)3t0t1ε(t)t沖擊法磁強計法電動法感應(yīng)（測量發(fā)電機）法電子積分器、數(shù)字積分器各種自動直流磁性測量儀器第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月沖擊法BallisticGalvanometer（沖擊檢流計）第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月沖擊法沖擊法1最具原理性的磁性測量方法J為轉(zhuǎn)動慣量，α為偏轉(zhuǎn)角，ρ為阻尼系數(shù)w為扭轉(zhuǎn)系數(shù)，B0為磁感應(yīng)強度，A和N為面積和匝數(shù)，i為瞬時電流H線圈B線圈樣品沖擊檢流計第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月沖擊法沖擊法2應(yīng)盡量滿足的條件－靈敏度脈沖電流完畢之后，電流計線圈開始轉(zhuǎn)動：

電流計線圈的轉(zhuǎn)動慣量越大，越滿足此條件。檢流計處于臨界阻尼狀態(tài)；

檢流計比較慢地達到最大讀數(shù)，很快降為零。被測磁通應(yīng)盡量為瞬時變化：

非瞬時變化引入很大的誤差。線圈的自由振蕩周期要遠(yuǎn)大于磁通變化的時間

一般在10倍以上。需要測定沖擊檢流計的沖擊常數(shù)CΦ

使用互感系數(shù)M已知的互感線圈。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月沖擊法沖擊法3沖擊法的優(yōu)點

1、可以開路、閉路測量；2、儀器設(shè)備簡單。閉路：磁路閉合開路：磁路不閉合NS沖擊法的缺點

1、積分式數(shù)據(jù)采集：零漂移；2、要求使用具有特定形狀的樣品；3、靈敏度較低。等截面積（常數(shù)）第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月沖擊法的使用教學(xué)演示實驗：電磁感應(yīng)定律工業(yè)：發(fā)電機工業(yè)：磁體的磁性能測量迴線儀：永磁材料的永磁性能檢測美國KJS公司中國計量科學(xué)研究院德國Magnet－Physik公司NIM－2000系列Permagraph系列HG－500第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VibratingSampleMagnetometer(VSM)第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月VSM的設(shè)計理念為什么要振動樣品？為什么要使用雙線圈？四線圈？為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？為什么要定標(biāo)磁矩？VSM的作業(yè)題目第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM1XYZ檢測線圈樣品磁偶極子磁偶極子的方向：？為什么要振動樣品？第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM2VSM幾個關(guān)鍵的問題樣品必須處于均勻磁場中：均勻區(qū)我們只能檢測感應(yīng)電動勢：檢測線圈怎樣得到磁偶極子：樣品、驅(qū)動方式樣品－線圈－振幅－頻率第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM3磁場均勻區(qū)螺線管d圓柱極頭電磁鐵圓臺極頭電磁鐵無限長螺線管亥姆霍茲線圈超導(dǎo)磁體均勻區(qū)較大磁場強度可能較低均勻區(qū)較小磁場強度可能很高第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM4檢測線圈－感應(yīng)電動勢Zaf(ω)設(shè)線圈面積為S，匝數(shù)為N感應(yīng)電動勢只有z方向分量第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM5檢測線圈－感應(yīng)電動勢－磁矩兩個關(guān)于線圈的假設(shè)：（永遠(yuǎn)適用）檢測線圈位置固定；樣品沿固定方向（X或者Y）磁化。式中為檢測線圈位置函數(shù)感應(yīng)電動勢－磁矩－驅(qū)動方式－線圈位置的關(guān)系如下：第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月感應(yīng)電動勢電壓有效值振動樣品磁強計VSM6檢測磁矩的最終表達式必須滿足的條件：（確保永遠(yuǎn)適用）檢測線圈尺寸、位置固定；樣品沿固定方向（X或者Y）磁化；樣品尺寸與線圈位置：滿足磁偶極子條件有足夠大的“鞍點區(qū)”第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM7串聯(lián)反接－檢測線圈檢測線圈位置函數(shù)定義：空間位置函數(shù)fZ(r)中各頻率成份中與位置有關(guān)的函數(shù)，為該頻率成份的線圈幾何因子KF?；l的線圈幾何因子KF1：為什么要使用雙線圈？第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM8串聯(lián)反接－檢測線圈基頻（ω）的貢獻：θ1θ2++++––––ZXCoil1Coil2D線圈直徑：D樣品_線圈：r（x）當(dāng)r2>5D2時，在x處，KF1為正即63°26′<θ<116o34′在－x處，KF1為負(fù)即243°26′<θ<296o34′為什么要使用雙線圈？第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM9串聯(lián)反接－檢測線圈二次諧波（2ω）的貢獻：++++––––ZX對于滿足基頻線圈幾何因子所確定的串聯(lián)反接雙線圈，二次諧波在該線圈對中的感應(yīng)電動勢等于零。49°6′130°54′為什么要使用雙線圈？第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月不用線圈如何？使用磁場（自由空間磁通）傳感器？

完全可以！必須解決的問題：能夠扣除磁化磁場等雜散磁場的影響必須可以即時響應(yīng)磁通的變化必須能夠?qū)Υ啪剡M行定標(biāo)必須有滿足測量要求的靈敏度第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么使用四線圈？鞍區(qū)－磁場－靈敏度ZX為什么要使用四線圈？基于電磁鐵的VSM：高磁場使得極頭間距變小，導(dǎo)致鞍區(qū)縮小減小線圈之間的距離可以提高靈敏度，但鞍區(qū)縮小四線圈可以使得鞍區(qū)擴大，但降低了靈敏度第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM10“鞍點區(qū)”定義：對串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場區(qū)的中心位置附近，線圈中的感應(yīng)電動勢對樣品位置不敏感的區(qū)域。磁化方向振動方向橫向方向0距離“鞍點區(qū)”的意義樣品的安裝位置調(diào)節(jié)為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月什么時候需要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？任何時候！（除了測量進行之中）磁矩定標(biāo)時；開始測量樣品前定義：對串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場區(qū)的中心位置附近，線圈中的感應(yīng)電動勢對樣品位置不敏感的區(qū)域。為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？什么時候可以不用調(diào)節(jié)鞍區(qū)：樣品處于位置不敏感區(qū)！第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM11磁矩的定標(biāo)電壓有效值與磁矩的關(guān)系：標(biāo)準(zhǔn)樣品比磁化強度：σStandard；質(zhì)量：mStandard待測樣品比磁化強度：σSample；質(zhì)量：mSample為什么要定標(biāo)磁矩？第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM12振動樣品磁強計的發(fā)展歷史前提：滿足磁偶極子的條件驅(qū)動：頻率、振幅穩(wěn)定遠(yuǎn)離市電頻率及其諧波測量：檢測交流電壓－非積分式第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM13振動樣品磁強計的發(fā)展歷史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(國際電工委員會)推薦為測量鐵氧體材料飽和磁化強度的標(biāo)準(zhǔn)方法之一1960s，鎖相放大技術(shù)(1930s)的使用1980s，自動控制技術(shù)的廣泛使用第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM14振動樣品磁強計的發(fā)展歷史相敏檢波器鎖相放大器X－Y記錄儀電子計算機第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM15振動樣品磁強計的制造商（僅供參考）美國ADETechnologies,Inc.(DMS)美國LakeShoreCryotronics,(EG&G)美國LDJElectronics,Inc.美國QuantumDesignCo.(Oxford)中國科學(xué)院物理研究所吉林大學(xué)物理系南京大學(xué)物理系第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM16振動樣品磁強計的分類：（一）具體類型樣品尺寸大小振動方向通常與磁場平行通常與磁場垂直樣品振幅大小（微振動）感應(yīng)電動勢磁通變化d/dt磁矩mPPMS的VSM常規(guī)基于電磁鐵的VSM第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM17振動樣品磁強計的分類：（二）具體類型磁場來源亥姆霍茲線圈電磁鐵超導(dǎo)磁體永磁體溫度范圍室溫/低溫/高溫振動方式機械驅(qū)動/電磁驅(qū)動靜電驅(qū)動平行磁場檢測線圈雙線圈/四線圈信號采集相敏檢波/鎖相放大控制方式電子計算機單片機人工存儲處理電子計算機記錄儀第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM18VSM的優(yōu)點

1、非積分式－同步采集，無零漂移；2、原理簡單，使用方便，適用面廣；3、單點測量所需時間短；4、靈敏度較高。VSM的缺點

1、只能開路測量－退磁修正；2、樣品大小、位置影響測量結(jié)果。第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月振動樣品磁強計VSM19相關(guān)參考文獻G.W.vanOosterhout,Appl.Sci.Res.,B6,101-104(1956)S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,27,548(1956)S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,30,548-557(1959)S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,45,1181(1974)S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,46,1425(1975)A.ZiebaandS.Foner,Rev.Sci.Instrum.,53,1344(1982)S.Foner,J.Appl.Phys.,38,1510(1967)S.Foner,J.Appl.Phys.,79,4740(1996)第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月基于電磁鐵的VSM的問題VSM20鏡像效應(yīng)（ImageEffect）當(dāng)磁場高于某一值（純鐵極頭為2.0T）時，磁化曲線突然下降。HM來源：1、極頭磁化飽和所致。2、線圈與極頭的幾何位置有關(guān)Hall磁強計線圈信號＝樣品信號＋電磁鐵的鏡像信號解決辦法：1、不用極頭；2、線圈遠(yuǎn)離極頭；3、修正磁矩定標(biāo)是否受影響？第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月VSM的靈敏度VSM21靈敏度：取決于最小量程一般來說，廠家給出的靈敏度無法在實際中達到。？影響信號檢測的因素：1、儀器本身的計量性能；2、樣品架的本底信號盡量減小樣品桿的信號盡量使樣品桿質(zhì)量均勻第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月超導(dǎo)量子磁強計SuperconductingQuantumInterferenceDeviceMagnetometer(SQUIDMagnetometer)第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月超導(dǎo)量子磁強計詳見本系列的《超導(dǎo)量子磁強計》靈敏度高：優(yōu)于VSM和ESM；單點測量時間較長：已得到改善；使用液氦：SQUID放大器；超導(dǎo)磁體中有殘余磁場：

MagnetReset、QuenchMagnet第46頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁