LH-3振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)

一. 概述：

　　作為物質(zhì)(特別是鐵磁性材料)內(nèi)稟磁性檢測(cè)的通用設(shè)備，振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)因其投資小、堅(jiān)固耐用，特別是運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用極低等顯著優(yōu)點(diǎn)而被世界各國(guó)廣泛運(yùn)用于科研、教學(xué)和生產(chǎn)檢測(cè)等眾多領(lǐng)域，為人類的科技進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。其工作原理大體如圖所示。

　其中，驅(qū)動(dòng)元w的功率輸出饋給振動(dòng)子v，以使振桿p帶動(dòng)被外磁化場(chǎng)He磁化了的樣品s做小幅正弦式上下振動(dòng)，探測(cè)線圈C所“感知”到的樣品s的信號(hào)電壓輸出饋給相關(guān)接受放大系統(tǒng)(-K)。磁場(chǎng)探測(cè)單元G的輸出VH與(-K)放大單元的輸出VJ同相位地一并饋給數(shù)據(jù)處理單元D。從而當(dāng)He變化一個(gè)周期后，D即可繪出樣品s的J-He曲線，此處的J定義為樣品s的總磁矩，即J=MV=σm，其M、V、σ、m分別表示樣品s的磁化強(qiáng)度，體積，比(質(zhì)量)磁化強(qiáng)度及質(zhì)量。D所處理的是兩路電壓信號(hào)，即(-K)一路代表磁矩而G一路代表相對(duì)應(yīng)的外磁化場(chǎng)He，因此必須特別注意最后繪制出的J-He曲線(或M-He、σ-He)未必能正確表示所測(cè)樣品s的磁特性，因?yàn)閂SM為開磁路測(cè)量，其所記錄的磁化場(chǎng)He未必就是樣品s的內(nèi)磁場(chǎng)，要想得到s的真實(shí)磁化強(qiáng)度與內(nèi)磁場(chǎng)Hi的函數(shù)關(guān)系，必須將所測(cè)得的He轉(zhuǎn)化成Hi，并將所測(cè)J-He曲線轉(zhuǎn)化成J-Hi曲線——此曲線才是樣品s的真實(shí)特性。要做到這點(diǎn)，就必須預(yù)知樣品s的在He方向上的退磁因子N，利用Hi=He-NM關(guān)系逐點(diǎn)求出與(MHe)相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)(MHi)，從而繪成M-Hi(或J-Hi)曲線，并可利用B=Hi+4πM的關(guān)系式繪制出技術(shù)參量B-Hi曲線，由此曲線求得諸如硬磁材料樣品s的剩磁Br、矯頑力BHc、磁能級(jí)(BHi)max等磁學(xué)量。要做到以上幾點(diǎn)，關(guān)鍵是要知道s在被測(cè)方向上的N，而這在一般情況下是辦不到的。通常在旋轉(zhuǎn)橢球體及其退化形式如球形、薄膜形、線形等特殊形狀的樣品時(shí)，方能夠用VSM準(zhǔn)確測(cè)出內(nèi)稟磁性與內(nèi)磁化場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系，并可由此關(guān)系推演出有關(guān)技術(shù)參量(即B-Hi)。從此點(diǎn)也可說VSM的功能是測(cè)材料的飽和磁化強(qiáng)度，不提先決條件而夸大VSM功能的宣傳內(nèi)容都是不可取的。

　　VSM有一項(xiàng)衡量其水平高低的主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度。此數(shù)值應(yīng)指在特定條件下(主要是指磁極與樣品的距離以及外磁化場(chǎng)He的大小)該設(shè)備所能探測(cè)到的樣品最小信號(hào)，即小于此數(shù)值的信號(hào)將被淹沒在背景噪音中而無法檢測(cè)出。

　　一般而論，磁極間距越小，磁極越靠近樣品，靈敏度將越高，但隨之而來的則導(dǎo)致磁場(chǎng)鞍部區(qū)變窄,測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性降低,不可靠性增大，這是我們不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象..而要改變此情況，就必須將檢測(cè)線圈間距增加(即磁極間距增大)，但此時(shí)將導(dǎo)致靈敏度的下降。因此，被測(cè)信號(hào)的可信賴度與系統(tǒng)的靈敏度是互相矛盾的，單強(qiáng)調(diào)一方面顯然是不恰當(dāng)?shù)摹Ａ硗?，較小的磁極間距無法作變溫測(cè)量。我廠產(chǎn)品的磁極間距為50mm，檢測(cè)線圈間距為30mm，常溫與高、低溫測(cè)量都是在此條件下進(jìn)行，這既保證了測(cè)試結(jié)果的可靠性，又保證了具有足夠高的靈敏度(3-6×10-5emu)。

　　下圖是我廠產(chǎn)品中檢測(cè)線圈間距與靈敏度間的實(shí)測(cè)結(jié)果:

　He越大則可能導(dǎo)致背景噪音增大從而靈敏度下降，這實(shí)際上是磁場(chǎng)電源質(zhì)量好壞的一種體現(xiàn)。我廠產(chǎn)品的靈敏度測(cè)試條件是在額定磁場(chǎng)的80%內(nèi)測(cè)量。

　　故而，凡不提前提條件而僅表述VSM的靈敏度，是有誤導(dǎo)使用者之嫌。另外，靈敏度是以背景噪音的尺度來衡量的，因而，對(duì)噪音的標(biāo)度方法不同(采用均方值?峰-峰值?)，即使是同一設(shè)備，其結(jié)果也不同。我單位采用的是峰-峰值標(biāo)度方法。

　　
二.本廠生產(chǎn)的VSM型式規(guī)格：

　　1.低場(chǎng)型(LH型)

　　利用無鐵芯線圈對(duì)產(chǎn)生磁化場(chǎng)，值為±400 Oe;無觸點(diǎn)平滑過零自動(dòng)掃描電源，有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式，在自動(dòng)狀態(tài)下可以人為控制掃描速度。特點(diǎn)為無電磁鐵型的剩磁效應(yīng)，操作空間大，磁場(chǎng)均勻空間廣，特別適合特軟磁性薄膜的測(cè)量工作。由于其探頭可隨時(shí)移出工作區(qū)，因而可適合特軟薄膜磁電阻效應(yīng)的測(cè)量。(諸如GMR、TMR、AMR、鐵磁/反鐵磁交換偏置效應(yīng)等的研究工作)。

　　由于其投資少，還特別適合高年級(jí)學(xué)生及研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

　　技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)：Hmax=±400 Oe，在此范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)、且不用高斯計(jì)檢測(cè)磁場(chǎng)。樣品所處空間位置可由振動(dòng)頭三維調(diào)節(jié)，故極易將樣品置于工作點(diǎn)，靈敏度3~6×10-5emu(探測(cè)線圈間距30mm時(shí));探測(cè)線圈間距可人為隨時(shí)調(diào)整，以適用不同需要。由于探測(cè)線圈可方便地移離工作區(qū)而將均勻磁場(chǎng)區(qū)出空，故在配以磁電阻測(cè)量單元時(shí)，可方便地進(jìn)行MR的檢測(cè)工作，可作教學(xué)設(shè)備。配以兩路數(shù)據(jù)處理單元以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線的觀察、記錄和保存;可配變溫裝置以實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)量。

　　銷售記錄

　　2.電磁鐵型(HH型)

　　電磁鐵配以可調(diào)大功率自動(dòng)掃描電源以獲取所需外磁化場(chǎng)，樣品驅(qū)動(dòng)單元直接架設(shè)在電磁鐵磁軛上以實(shí)現(xiàn)造型的美觀化，且可調(diào)節(jié)樣品的任意被測(cè)方向，以實(shí)現(xiàn)各向異性的檢測(cè)需求。磁場(chǎng)強(qiáng)度及靈敏度檔次可由用戶自行決定。

　　技術(shù)規(guī)格及特點(diǎn)：

　　1、磁化場(chǎng)由電磁鐵和高穩(wěn)定度、低紋波系數(shù)的自動(dòng)平滑過零掃描電源聯(lián)合提供，同時(shí)，電源設(shè)有手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，可設(shè)置在所需穩(wěn)恒磁場(chǎng)的恒流狀態(tài)下測(cè)量;在自動(dòng)掃描模式狀態(tài)，能在設(shè)定的磁化場(chǎng)范圍內(nèi)，通過選定的掃描速度而實(shí)現(xiàn)在該磁場(chǎng)范圍內(nèi)的自動(dòng)掃描。目前，磁場(chǎng)強(qiáng)度有2×104Oe、1.5×104Oe、1×104Oe等可供選擇;

　　2、振動(dòng)頭(即前述的V)可在三維方向調(diào)節(jié)振桿(P)的位置，因而可將樣品(s)置于工作點(diǎn)。

　　3、磁場(chǎng)大小由多檔高斯計(jì)直接測(cè)量，其表頭直接顯示實(shí)際磁場(chǎng)大小并將相應(yīng)信號(hào)饋給數(shù)據(jù)處理單元，以實(shí)現(xiàn)與磁矩測(cè)量單元一 一對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)字化記錄。

　　4、檢測(cè)線圈由相應(yīng)機(jī)構(gòu)緊壓在兩極面上，其檢測(cè)線圈間距為30mm，以保證該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)量。且可隨時(shí)取下檢測(cè)線圈以讓出的可利用磁場(chǎng)空間作其他用處(如MR測(cè)量等)。磁矩測(cè)量信號(hào)和與其對(duì)應(yīng)的其他信號(hào)(磁場(chǎng)、溫度等)可通過電腦化X-Y記錄儀實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理。

　　在上述檢測(cè)線圈間距以及磁化場(chǎng)≤104Oe的情況下，背景噪音峰-峰值(即靈敏度)優(yōu)于3~6×10-5emu，本廠也可根據(jù)客戶需求，提供價(jià)格較便宜的高場(chǎng)、更高靈敏度但非變溫型VSM

　　銷售記錄

　　正在調(diào)試單位：南京工業(yè)大學(xué)

　　正在制造單位：安徽工業(yè)大學(xué)、集美大學(xué)

　　
三、選配件

　　1、薄膜磁電阻測(cè)量系統(tǒng)：采用差值法測(cè)量MR以實(shí)現(xiàn)△R/R≤0.1%的高靈敏測(cè)量;樣品夾具可帶動(dòng)樣品做360o轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)不同方向上的MR觀察，特別適合配在本場(chǎng)生產(chǎn)的LH型VSM上。

　　2、變溫裝置;

　　①高溫-采用鉑絲作為發(fā)熱元件，水體冷卻以保證在600℃的情況下爐體外表仍為室溫，有效地保護(hù)VSM的檢測(cè)線圈不受到傷害，且不致產(chǎn)生因檢測(cè)線圈所處溫度不同導(dǎo)致的定標(biāo)常數(shù)的變化。此系統(tǒng)采用手控調(diào)節(jié)的方法，以保證在導(dǎo)入爐體后，VSM整體靈敏度不出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。以上兩點(diǎn)有效地克服了高溫測(cè)量時(shí)所出現(xiàn)的一些通病，可作為居里溫度(可自動(dòng)記錄)和內(nèi)稟磁性隨溫度變化規(guī)律的檢測(cè)。

       ②低溫—可實(shí)現(xiàn)室溫至77oK的溫控測(cè)量。