Σχεδιασμός και κατασκευή μαγνητόμετρου ταλαντευόμενου δείγματος

Abstract

Το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στα εμπορικά διαθέσιμα μαγνητόμετρα παράγεται από ηλεκτρομαγνήτες ή υπεραγώγιμα πηνία. Αν και οι συγκεκριμένες διατάξεις μπορούν να παράξουν μεγάλα μαγνητικά πεδία (έως και 20 Tesla για υπεραγώγιμους μαγνήτες, και 2 Tesla για ηλεκτρομαγνήτες) λόγω της μόνιμης μαγνήτισης του πυρήνα του ηλεκτρομαγνήτη και του παραμένοντος κρίσιμου ρεύματος στα υπεραγώγιμα πηνία δεν μπορούμε να μεταβάλουμε με ευκολία το μαγνητικό πεδίο για -100 Οe <H<100 Oe. Ένας τρόπος για να ξεπεράσουμε αυτό τον περιορισμό είναι να κατασκευάσουμε ένα μαγνητόμετρο στο οποίο το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο παράγεται από ένα απλό πηνίο. Ανάλογα με τις σπείρες του πηνίου και το ρεύμα που το διαρρέει μπορούμε να μεταβάλλουμε το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του με μεγάλη ακρίβεια για πεδία κοντά στο μηδενικό πεδίο. Η φυσική αρχή στην οποία στηρίζονται τα μαγνητόμετρα ταλαντευόμενου δείγματος είναι ο νόμος του Faraday. H μαγνητική ροπή δοκιμίου, το οποίο θεωρούμε ως σημειακό δίπολο, υπολογίζεται από την ηλεκτρεγερτική δύναμη (EFM) που επάγεται σε ένα σύστημα πηνίων όταν το δίπολο εκτελεί αρμονική ταλάντωση σε κοντινή απόσταση. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία έγινε η μελέτη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός μαγνητόμετρου ταλαντευόμενου δείγματος για τον χαρακτηρισμό «μαλακών» μαγνητικών υλικών. Ειδικότερα μελετήθηκε η δυνατότητα κατασκευής μαγνητόμετρου στο οποίο το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται παράλληλα στον άξονα ταλάντωσης του δείγματος. Έγινε ανάλυση της απόκρισης των πηνίων ανίχνευσης του σήματος αναλυτικά και αριθμητικά για τον προσδιορισμό των βέλτιστων παραμέτρων του μαγνητομέτρου έτσι ώστε να έχουμε μεγιστοποίηση του σήματος, και ελαχιστοποίηση του όγκου των πηνίων ανίχνευσης. Για το έλεγχο των συσκευών και την καταγραφή των μετρήσεων αναπτύξαμε κατάλληλο πρόγραμμα σε γλώσσα Labview. Τέλος για την αξιολόγηση της διάταξης εκτελέσαμε μία σειρά μετρήσεων χρησιμοποιώντας μαλακά μαγνητικά υλικά, κυρίως σιδηρομαγνητικά υλικά με μικρό συνεκτικό πεδίο. Η ποιότητα των βρόχων υστέρησης που πήραμε είναι πολύ καλή και τέτοια ποιότητα μέτρησης είναι πολύ δύσκολο να πάρουμε από συμβατικά μαγνητόμετρα ταλαντευόμενου δείγματος για ένταση μαγνητικού πεδίου μικρότερη από 200 Oe.

This thesis refers to the analysis and the building of a Vibrating Sample Magnetometer of parallel geometry suitable for magnetic moment measurements of soft ferromagnetic materials. Most of the vibration sample magnetometers used in magnetic characterization of materials, use electromagnets or superconducting coils to generate strong uniform magnetic field. But when it comes to weak magnetic field with small steps they cannot cope because of the permanent magnetization of the core of the electromagnet or the remaining critical current of the superconducting coil. In the magnetometer we made, the uniform magnetic field is produced by a simple coil; therefore it can generate a magnetic field as weak as needed and change it with really small steps using a high precision current source. The magnetic field is parallel to the direction of the sample’s vibration. The operation of this magnetometer is based on Faraday’s law of induction: The vibration of the sample inside the magnetic field generates electromotive force at the pick-up coils due to the time change of the magnetic flux. We used two pickup coils at very close distance, wrapped in opposite direction and located between the primary coil and the sample. The induced voltage in the pickup coils is proportional to the sample's magnetic moment. The magnetic moment of the sample is calculated by measuring the voltage from the pick-up coils using a data acquisition card and a lock-in amplifier. Through LabVIEW platform, we extract, plot and save the voltage at the pick-up coils as a function of the external dc magnetic filed (hysteresis magnetization loop). We have taken very good results by measuring several soft ferromagnetic samples with low coercive field. Consequently the particular magnetometer can be used in characterizing soft ferromagnetic samples having small coercive fields.