RU2814644C1 - Method of determining hysteresis loops of iron-based amorphous ferromagnetic microwires - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention consists in measurement of required data set of distribution of vertical component of magnetic induction B_ze(x,y) near amorphous ferromagnetic microwires (AFM) based on iron (Fe) and using the model description of the AFM to find its magnetization and magnetic moment, i.e. to construct a hysteresis loop.

EFFECT: high sensitivity of determining the hysteresis loop of Fe-based AFM samples with length of more than 10 mm and magnetic moment less than 1 mcA⋅m².

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для изучения магнитных полей рассеяния и определения намагниченности насыщения, остаточной намагниченности и петель гистерезиса ферромагнитных материалов и веществ. Предлагаемый способ определения петель гистерезиса позволяет по измеренным магнитным полям определять величину и распределение намагниченности образцов магнитных материалов, в частности, аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ) в стеклянной оболочке на основе железа (Fe).The invention relates to measuring technology and is intended to study magnetic stray fields and determine saturation magnetization, residual magnetization and hysteresis loops of ferromagnetic materials and substances. The proposed method for determining hysteresis loops makes it possible to determine from the measured magnetic fields the magnitude and distribution of magnetization of samples of magnetic materials, in particular, amorphous ferromagnetic microwires (AFM) in a glass shell based on iron (Fe).

АФМ в стеклянной оболочке, получаемые методом Тейлора-Улитовского, обладают уникальным сочетанием как магнитных, так и механических свойств. Этот хорошо отработанный метод позволяет изготавливать высококачественные АФМ различного состава и широкого диапазона диаметров D=1-50 мкм с особыми магнитными свойствами. Например, АФМ с высоким содержанием железа Fe характеризуются прямоугольной петлей гистерезиса с характерным полем перемагничивания Н_с ~ 1-5 Э. Процесс перемагничивания в таких АФМ происходит одним гигантским скачком Баркгаузена (быстрое движение доменной стенки вдоль оси АФМ). Этот эффект может быть использован при разработке устройств памяти, магнитной логики и магнитных меток. Известно, что распространение доменной стенки начинается с концов отрезка АФМ, где замыкающие домены существуют из-за действия размагничивающего поля. Для технических применений АФМ на основе Fe необходимо знать ряд физических характеристик, а именно, петлю гистерезиса M_i(H_i), представляющую собой зависимость магнитного момента М образца от величины внешнего магнитного поля Н и распределение намагниченности по длине образца АФМ на основе Fe.AFMs in a glass shell, obtained by the Taylor-Ulitovsky method, have a unique combination of both magnetic and mechanical properties. This well-established method makes it possible to produce high-quality AFMs of various compositions and a wide range of diameters D = 1-50 μm with special magnetic properties. For example, AFMs with a high iron content Fe are characterized by a rectangular hysteresis loop with a characteristic magnetization reversal field H _c ~ 1-5 Oe. The magnetization reversal process in such AFMs occurs in one giant Barkhausen jump (rapid movement of the domain wall along the AFM axis). This effect can be used in the development of memory devices, magnetic logic and magnetic tags. It is known that the propagation of a domain wall begins from the ends of the AFM segment, where closing domains exist due to the action of the demagnetizing field. For technical applications of Fe-based AFMs, it is necessary to know a number of physical characteristics, namely, the hysteresis loop M _i (H _i ), which is the dependence of the magnetic moment M of the sample on the external magnetic field H and the magnetization distribution along the length of the Fe-based AFM sample.

Задача определения петель гистерезиса АФМ на основе Fe может быть решена, в частности, применением вибрационных методов измерения намагниченности материалов (Вибрационный магнитометр / Е.Г. Бишард, Г.С. Кусков, А.М. Полонский, А.А. Преображенский; подред. А.М. Фремке // Информационно-измерительная техника. Л.: Изд-во Ленинград, ун-та, 1973.). В состав вибрационного магнитометра входят вибратор, располагаемый в непосредственной близости от источника постоянного однородного магнитного поля, приемные катушки и измерительное устройство. Испытуемый образец закрепляют на вибраторе и подвергают колебательным движениям в направлении, перпендикулярном приложенному магнитному полю. Под воздействием магнитного поля образец намагничивается и, благодаря вибрационным колебаниям, наводит в приемных катушках электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную магнитному моменту образца.The problem of determining the hysteresis loops of Fe-based AFMs can be solved, in particular, by using vibration methods for measuring the magnetization of materials (Vibration magnetometer / E.G. Bishard, G.S. Kuskov, A.M. Polonsky, A.A. Preobrazhensky; ed. A. M. Fremke // Information and measuring technology. Leningrad: Publishing House Leningrad, University, 1973). A vibrating magnetometer includes a vibrator located in close proximity to a source of a constant uniform magnetic field, receiving coils and a measuring device. The test sample is mounted on a vibrator and subjected to oscillatory movements in a direction perpendicular to the applied magnetic field. Under the influence of a magnetic field, the sample is magnetized and, thanks to vibrational vibrations, induces an electromotive force (EMF) in the receiving coils, proportional to the magnetic moment of the sample.

Известен способ измерения петель гистерезиса АФМ на основе Fe с использованием автоматизированного вибрационного магнитометра (Гудошников С.А., Венедиктов С.Н., Горбунов С.А., Козлов А.Н., Прохорова Ю.В., Серебрякова О.Н., Ситнов Ю.С., Скомаровский B.C. Автоматизированный малогабаритный вибромагнитометр для исследований магнитомягких материалов, журнал Измерительная техника 2010, №1, с. 57-60). Способ основан на том, что в нем исследуемый образец АФМ на основе Fe закрепляют вдоль оси X на специальном штоке, намагничивают однородным магнитным полем, направленным вдоль оси АФМ, и приводят образец в низкочастотное колебательное возвратно-поступательное движение в рабочей зоне приемных индукционных катушек, создавая в них сигнал электродвижущей силы (ЭДС), пропорциональный магнитному моменту образца, М. Повторные измерения сигнала ЭДС проводят при всех значениях Н внешнего намагничивающего магнитного поля, изменяющегося в диапазоне ±H_max, (где H_max - максимальное значение внешнего однородного магнитного поля) при ступенчатом изменении магнитного поля с шагом ΔН, а полученный массив данных [M₁, H_i] используют для построения петли гистерезиса.There is a known method for measuring the hysteresis loops of Fe-based AFMs using an automated vibration magnetometer (Gudoshnikov S.A., Venediktov S.N., Gorbunov S.A., Kozlov A.N., Prokhorova Yu.V., Serebryakova O.N. , Sitnov Yu.S., Skomarovsky BC Automated small-sized vibromagnetometer for research of soft magnetic materials, journal Measuring Technology 2010, No. 1, pp. 57-60). The method is based on the fact that in it the test sample of an Fe-based AFM is fixed along the X axis on a special rod, magnetized with a uniform magnetic field directed along the AFM axis, and the sample is brought into low-frequency oscillatory reciprocating motion in the working area of the receiving induction coils, creating in them there is an electromotive force (EMF) signal proportional to the magnetic moment of the sample, M. Repeated measurements of the EMF signal are carried out at all values of H of the external magnetizing magnetic field, varying in the range ±H _max (where H _max is the maximum value of the external uniform magnetic field) at a stepwise change in the magnetic field with a step ΔН, and the resulting data array [M ₁ , _Hi ] is used to construct a hysteresis loop.

Основные недостатки метода вибрационной магнитометрии при измерениях АФМ на основе Fe связаны с ограничением длины измеряемых образцов АФМ (не более 7-10 мм из-за фиксированного размера рабочей зоны приемных индукционных катушек вибрационного магнитометра) и недостаточной чувствительностью при измерениях АФМ малого диаметра, у которых величина магнитного момента менее 1 μА⋅м².The main disadvantages of the vibration magnetometry method when measuring Fe-based AFMs are associated with the limitation of the length of the measured AFM samples (no more than 7-10 mm due to the fixed size of the working area of the receiving induction coils of the vibration magnetometer) and insufficient sensitivity when measuring small-diameter AFMs, for which the value magnetic moment less than 1 μA⋅m ² .

Относительно недавно получили развитие сканирующие устройства для измерения магнитных полей образцов, в которых, в качестве магниточувствительного элемента, используются магнитоимпедансные (ГМИ) датчики магнитного поля на основе аморфных ферромагнитных микропроводов.Relatively recently, scanning devices for measuring magnetic fields of samples have been developed, in which magnetic impedance (GMI) magnetic field sensors based on amorphous ferromagnetic microwires are used as a magnetically sensitive element.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения магнитных полей рассеяния вблизи образцов аморфных микропроводов на основе железа с помощью магнитоимпедансных датчиков магнитного поля (G. Danilov, Yu. Grebenshchikov, V. Odintsov, M. Churyukanova, S. Gudoshnikov, Measurements of stray magnetic fields of Fe-rich amorphous micro wires using a scanning GMI magnetometer, Metals, 2023, 13 (4) 800, DOT: 10.3390/met13040800). С помощью таких устройств проводят поточечное сканирование и регистрацию распределения вертикальной компоненты магнитных полей рассеяния B_z(x,y) вблизи поверхности образца при его намагничивании внешними продольными магнитными полями и получают количественные изображения магнитных полей рассеяния исследуемых образцов АФМ на основе Fe. Каждое изображение распределения магнитного поля над исследуемым образцом АФМ содержит большой массив данных (таблица с данными по координате X до 300 точек и по координате Y до 300 сканов, общее количество до 90000 точек) и записывается длительное время (до 50 минут). Обработка большого массива данных с целью получения магнитных характеристик образца также требует существенных временных затрат. В тоже время, данный метод обладает высокой чувствительностью и позволяет измерять магнитные поля над образцами АФМ на основе Fe сантиметровых размеров (>10 мм) с крайне малым (<1 μА⋅м²) магнитным моментом. В указанной работе, принятой за прототип, данный метод используется для определения ширины замыкающих магнитных доменов на концах образца АФМ. В ходе измерений исследуемый образец АФМ на основе Fe фиксируют вдоль оси X координатного столика, намагничивают однородным внешним магнитным полем, направленным вдоль оси образца АФМ, обеспечивают взаимное относительное перемещение между столиком с образцом и ГМИ-датчиком в плоскости X-Y с шагами δX, δY на малой высоте измерения z (~ 1 мм) между образцом АФМ и ГМИ-датчиком, измеряющем распределение магнитной компоненты полей рассеяния B*_z(x_i,y_i) над поверхностью образца и получают поточечное магнитное изображение образца АФМ на основе Fe, размером ΔX×ΔY, превышающим линейные размеры образца на 3-5 значений высоты измерения z. После чего из полученных данных определяют ширину замыкающих магнитных доменов.The closest to the claimed method is a method for measuring stray magnetic fields near samples of iron-based amorphous microwires using magnetic impedance magnetic field sensors (G. Danilov, Yu. Grebenshchikov, V. Odintsov, M. Churyukanova, S. Gudoshnikov, Measurements of stray magnetic fields of Fe-rich amorphous micro wires using a scanning GMI magnetometer, Metals, 2023, 13 (4) 800, DOT: 10.3390/met13040800). Using such devices, point-by-point scanning and recording of the distribution of the vertical component of magnetic stray fields B _z (x,y) near the surface of the sample when it is magnetized by external longitudinal magnetic fields are carried out and quantitative images of the magnetic stray fields of the studied Fe-based AFM samples are obtained. Each image of the magnetic field distribution over the AFM sample under study contains a large array of data (a table with data on the X coordinate up to 300 points and on the Y coordinate up to 300 scans, the total number of up to 90,000 points) and is recorded for a long time (up to 50 minutes). Processing a large amount of data in order to obtain the magnetic characteristics of a sample also requires a significant amount of time. At the same time, this method is highly sensitive and makes it possible to measure magnetic fields above Fe-based AFM samples of centimeter sizes (>10 mm) with an extremely small (<1 μA⋅m ² ) magnetic moment. In this work, adopted as a prototype, this method is used to determine the width of the closing magnetic domains at the ends of an AFM sample. During measurements, the Fe-based AFM sample under study is fixed along the X-axis of the coordinate table, magnetized with a uniform external magnetic field directed along the axis of the AFM sample, and mutual relative movement is ensured between the stage with the sample and the GMI sensor in the XY plane with steps δX, δY on a small measurement height z (~ 1 mm) between the AFM sample and the GMI sensor, which measures the distribution of the magnetic component of the stray fields B* _z (x _i , y _i ) above the surface of the sample and a point-by-point magnetic image of the Fe-based AFM sample, size ΔX×ΔY, is obtained , exceeding the linear dimensions of the sample by 3-5 values of the measurement height z. Then, from the data obtained, the width of the closing magnetic domains is determined.

Недостатком данного способа является невозможность с помощью прямых измерений распределения магнитной компоненты полей рассеяния B_z(x,y) над поверхностью исследуемого образца АФМ на основе Fe определить величину магнитного момента и получить петлю гистерезиса образца. Кроме того, известный способ требует обработки значительного массива данных и существенных временных затрат.The disadvantage of this method is the impossibility of determining the magnitude of the magnetic moment and obtaining the hysteresis loop of the sample using direct measurements of the distribution of the magnetic component of stray fields B _z (x,y) over the surface of the Fe-based AFM sample under study. In addition, the known method requires processing a significant amount of data and significant time expenditure.

Техническим результатом заявленного способа является разработка способа, позволяющего с помощью сканирующего магнитометра определять с достаточной чувствительностью петли гистерезиса образцов АФМ на основе Fe длиной более 10 мм и магнитным моментом менее 1 μА⋅м².The technical result of the claimed method is the development of a method that allows, using a scanning magnetometer, to determine with sufficient sensitivity the hysteresis loops of Fe-based AFM samples with a length of more than 10 mm and a magnetic moment of less than 1 μA⋅m ² .

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Способ определения петель гистерезиса аморфных ферромагнитных микропроводов на основе железа, в котором исследуемый образец фиксируют вдоль оси X координатного столика, намагничивают однородным внешним магнитным полем, направленным вдоль оси АФМ на основе Fe, обеспечивают взаимное относительное перемещение между столиком с образцом и магнитоимпедансным датчиком в плоскости X-Y с шагами δХ, δY ~ 0.1 мм на высоте измерения z ~ 1 мм между образцом АФМ и ГМИ-датчиком, измеряющим локальную магнитную компоненту полей рассеяния B*_z(x_i,y_i) над поверхностью образца и получают поточечное магнитное изображение образца АФМ на основе Fe, размером ΔX×ΔY, превышающим линейный размер АФМ на 3-5 значений высоты измерения z, причем получают первоначальное поточечное магнитное изображение АФМ на основе Fe в виде двух распределенных магнитных экстремумов над его противоположными концами в максимальном внешнем магнитном поле Н-max, направленном вдоль оси АФМ на основе Fe и из полученного массива измеренных значений, выбирают первый профиль значений длиной ΔХ[В*_z(х,у₀), H_max], соответствующих значениям вертикальной компоненты поля над осью АФМ, где Y₀ - координата, соответствующая положениям магнитных экстремумов, после чего уменьшают величину внешнего магнитного поля на величину ΔН и проводят повторные измерения локальной магнитной компоненты полей рассеяния В*_z(x) вдоль оси АФМ на основе Fe, с шагом δХ, при Y=Y₀, и получают второй профиль значений длиной ΔХ[В*_z(х), H_max-ΔН], данную процедуру измерений повторяют при всех значениях внешних магнитных полей в диапазоне ±H_max, с шагом ΔН и в результате получают массив данных [В*_z(х)_i, H_i] в диапазоне ±H_max, затем проводят обработку данных путем сравнения экспериментальных и расчетных профилей значений и по лучшему их совпадению определяют соответствующие величины магнитного момента исследуемого образца АФМ на основе Fe[M_i,H_i], которые используют для построения петли гистерезиса.A method for determining the hysteresis loops of amorphous ferromagnetic microwires based on iron, in which the sample under study is fixed along the X-axis of a coordinate stage, magnetized with a uniform external magnetic field directed along the axis of an Fe-based AFM, and mutual relative movement is provided between the stage with the sample and the magnetic impedance sensor in the XY plane with steps δХ, δY ~ 0.1 mm at a measurement height z ~ 1 mm between the AFM sample and the GMI sensor, measuring the local magnetic component of the stray fields B* _z (x _i , y _i ) above the sample surface and obtain a point-by-point magnetic image of the AFM sample on Fe-based, with a size ΔX×ΔY, exceeding the linear size of the AFM by 3-5 values of the measurement height z, and an initial point-by-point magnetic image of the Fe-based AFM is obtained in the form of two distributed magnetic extrema above its opposite ends in the maximum external magnetic field H-max, directed along the axis of the Fe-based AFM and from the resulting array of measured values, select the first profile of values of length ΔХ[B* _z (x,y ₀ ), H _max ], corresponding to the values of the vertical component of the field above the AFM axis, where Y ₀ is the coordinate, corresponding to the positions of the magnetic extrema, after which the magnitude of the external magnetic field is reduced by an amount ΔH and repeated measurements of the local magnetic component of the stray fields B* _z (x) are carried out along the axis of the Fe-based AFM, with a step δХ, at Y = Y ₀ , and the second one is obtained profile of values with length ΔХ [В* _z (х), H _max -ΔН], this measurement procedure is repeated for all values of external magnetic fields in the range ±H _max , with a step ΔН and as a result a data array [В* _z (х) is obtained _i , _Hi ] in the range ±H _max , then the data is processed by comparing the experimental and calculated profiles of the values and, based on their best agreement, the corresponding values of the magnetic moment of the studied AFM sample based on Fe[M _i ,H _i ] are determined, which are used to construct hysteresis loops.

Кроме того при исследовании длинных превышающих на порядок высоту измерениям образцов АФМ на основе Fe проводят сканирование только над одним концом АФМ и получают часть профиля значений ΔХ, составляющую порядка ±5z, а обработку проводят с учетом вклада только одного конца АФМ на основе Fe.In addition, when studying long measurements of Fe-based AFM samples that are an order of magnitude higher, scanning is carried out over only one end of the AFM and a part of the profile of ΔX values is obtained, which is on the order of ±5z, and processing is carried out taking into account the contribution of only one end of the Fe-based AFM.

Предлагаемый подход к решению технической задачи по определению магнитного момента образца при разных значениях магнитного поля и построению петли гистерезиса АФМ на основе Fe, заключается в измерении необходимого набора данных распределения вертикальной компоненты магнитной индукции B_ze(x,у) вблизи АФМ на основе Fe и использовании модельного описания АФМ для нахождения его намагниченности и магнитного момента, т.е. для построения петли гистерезиса.The proposed approach to solving the technical problem of determining the magnetic moment of a sample at different values of the magnetic field and constructing the hysteresis loop of an Fe-based AFM consists in measuring the required set of data on the distribution of the vertical component of magnetic induction B _ze (x,y) near the Fe-based AFM and using model description of the AFM to find its magnetization and magnetic moment, i.e. to construct a hysteresis loop.

Для определения намагниченности образца АФМ на основе Fe должно использоваться модельное представление, вытекающее из его свойств. Поскольку АФМ на основе Fe имеют положительную константу магнитострикции на уровне (λs ~+(1-3)×10^-5), то для них энергетически выгодным является продольное намагничивание. Кроме того, из-за сравнительно большой величины намагниченности насыщения, J_s>>Н_а, (Н_а - поле анизотропии микропровода на основе Fe) наличие радиальной компоненты намагниченности ведет к проигрышу в магнитостатической энергии. В связи с этим, во внешнем продольном магнитном поле вдали от концов АФМ, средняя по объему намагниченность имеет только продольную компоненту Jo, близкую к намагниченности насыщения J_s, J₀≈J_s. Вблизи концов АФМ сильное магнитостатическое взаимодействие приводит к спаданию продольной компоненты намагниченности, расплыванию магнитного заряда вдоль его оси. Причем вблизи концов большая величина намагниченности насыщения препятствует сосредоточению магнитного заряда на поверхности АФМ и обеспечивает его однородное «расплывание» по поперечному сечению АФМ, что соответствует доминированию азимутальной составляющей в поперечной компоненте намагниченности. Исходя из сказанного выше, для модельного описания отрезка АФМ на основе Fe с радиусом металлической жилы r₀ используется его представление в виде магнитного диполя с плечом 2L (где 2L - длина образца микропровода) и концевыми магнитными зарядами ±q_m=±πr₀ ²J₀, причем считается, что заряды на концах диполя распределены равномерно вдоль его оси на длине u с плотностями заряда ρ_m=±q_m/u. Если такой отрезок АФМ на основе Fe лежит на оси X (у=0), то на высоте измерения z, распределение вертикальной компоненты индукции B_z(x, z) над таким физическим диполем описывается сложным выражением. В тоже время, если рассмотреть профиль значений вертикальной компоненты индукции B_z(x,z) лежащих над осью X (над АФМ, Y=0), то они могут быть представлены упрощенной формулой:To determine the magnetization of an Fe-based AFM sample, a model representation resulting from its properties must be used. Since Fe-based AFMs have a positive magnetostriction constant at the level (λs ~+(1-3)×10 ^-5 ), then longitudinal magnetization is energetically favorable for them. In addition, due to the relatively large value of saturation magnetization, J _s >>H _a , (H _a is the anisotropy field of an Fe-based microwire), the presence of a radial magnetization component leads to a loss in magnetostatic energy. In this regard, in an external longitudinal magnetic field far from the ends of the AFM, the volume-average magnetization has only a longitudinal component Jo, close to the saturation magnetization J _s , J ₀ ≈J _s . Near the ends of the AFM, a strong magnetostatic interaction leads to a decrease in the longitudinal component of magnetization and spreading of the magnetic charge along its axis. Moreover, near the ends, a large value of saturation magnetization prevents the concentration of the magnetic charge on the surface of the AFM and ensures its uniform “spreading” over the cross section of the AFM, which corresponds to the dominance of the azimuthal component in the transverse component of magnetization. Based on the above, for a model description of a segment of an Fe-based AFM with a metal core radius r ₀ , its representation in the form of a magnetic dipole with a shoulder 2L (where 2L is the length of the microwire sample) and end magnetic charges ±q _m =±πr ₀ ² J is used ₀ , and it is believed that the charges at the ends of the dipole are distributed uniformly along its axis over a length u with charge densities ρ _m =±q _m /u. If such a segment of an Fe-based AFM lies on the X axis (y=0), then at the measurement height z, the distribution of the vertical component of induction B _z (x, z) above such a physical dipole is described by a complex expression. At the same time, if we consider the profile of the values of the vertical component of induction B _z (x, z) lying above the X axis (above the AFM, Y = 0), then they can be represented by a simplified formula:

где B_z - вертикальная компоненты магнитного поля рассеяния над поверхностью исследуемого образца (Тл);where B _z is the vertical component of the magnetic stray field above the surface of the sample under study (T);

μ₀ - магнитная постоянная (Тл×м/А);μ ₀ - magnetic constant (T×m/A);

J₀ - намагниченность насыщения АФМ (А/м);J ₀ - saturation magnetization of AFM (A/m);

r₀ - радиус металлической жилы АФМ (м);r ₀ - radius of the metal core of the AFM (m);

L - половина длины образца АФМ (м);L is half the length of the AFM sample (m);

u - длина замыкающего домена на концах АФМ (м)u is the length of the closing domain at the ends of the AFM (m)

х, у, z - текущие координаты точки измерения вертикальной компоненты магнитного поля рассеяния (м),x, y, z - current coordinates of the point of measurement of the vertical component of the magnetic stray field (m),

в которой первые два слагаемых в квадратных скобках описывают вклад левого конца отрезка АФМ, а вторые два слагаемых - правого конца АФМ на основе Fe, соответственно. При этом в качестве модельных параметров выступают намагниченность в средней части АФМ J₀, длина концевых доменов u и высота измерения z.in which the first two terms in square brackets describe the contribution of the left end of the AFM segment, and the second two terms - the right end of the Fe-based AFM, respectively. In this case, the model parameters are the magnetization in the middle part of the AFM J ₀ , the length of the end domains u and the measurement height z.

Проведенные эксперименты показали, что профиль значений, измеренных над образцом АФМ на основе Fe (при Y=0) является предпочтительным с точки зрения определения указанных модельных параметров J₀, z и u, поскольку и величина вертикальной компоненты магнитной индукции и производные измеряемого сигнала по величинам искомых параметров dB_z/dz и dB_z/du над АФМ максимальны. Следует отметить, что для корректного проведения процедуры определения модельных параметров пространственный шаг δX, δY измерений индукции B_z(x_i) должен быть не больше 0,1 от ее характерного масштаба изменения, который в нашем случае равен высоте измерения z ≈ 1 мм. Таким образом, соседние точки в профиле значений индукции B_z(x_i) должны отстоять друг от друга не более, чем на 0.1 мм.The experiments showed that the profile of the values measured over the Fe-based AFM sample (at Y = 0) is preferable from the point of view of determining the indicated model parameters J ₀ , z and u, since both the magnitude of the vertical component of the magnetic induction and the derivatives of the measured signal in terms of values the desired parameters dB _z /dz and dB _z /du over the AFM are maximum. It should be noted that in order to correctly carry out the procedure for determining model parameters, the spatial step δX, δY of induction measurements B _z (x _i ) should be no more than 0.1 of its characteristic scale of change, which in our case is equal to the measurement height z ≈ 1 mm. Thus, neighboring points in the profile of induction values B _z (x _i ) should be no more than 0.1 mm apart from each other.

В соответствии с предложенной моделью над образцом АФМ на основе Fe вычисляют соответствующий теоретический профиль значений вертикальной компоненты магнитной индукции B_z(x). При этом модельные параметры J_o, u и z выбираются такими, чтобы обеспечить наилучшее совпадение экспериментальных B*_z(x)_i и теоретических функций B₂(x)_i, при заданном значении внешнего поля H_i. Затем вычисляют магнитный момент M_i(H_i) образца АФМ на основе Fe по формулеIn accordance with the proposed model, the corresponding theoretical profile of the values of the vertical component of magnetic induction B _z (x) is calculated over an Fe-based AFM sample. In this case, the model parameters J _o , u and z are chosen such as to ensure the best agreement between the experimental B* _z (x) _i and the theoretical functions B ₂ (x) _i , for a given value of the external field _Hi. Then the magnetic moment M _i (H _i ) of the Fe-based AFM sample is calculated using the formula

Полученные для всех значений внешнего поля H_i соответствующие магнитные моменты Mi(Hi) используют для построения петли гистерезиса образцов АФМ на основе Fe.The corresponding magnetic moments Mi(Hi) obtained for all values of the external field _Hi are used to construct the hysteresis loop of Fe-based AFM samples.

Отметим также, что для длинного образца АФМ на основе Fe, когда параметры z, u много меньше 2L, (случай 2L>10 мм) измеряемая индукция заметно отличается от нуля только вблизи торцов АФМ на основе Fe. Согласно предварительным исследованиям, на характерных расстояниях вдоль оси X от конца АФМ на основе Fe (порядка трех высот измерения, z - 1 мм, х - 3z=3 мм), величина измеряемого сигнала спадает примерно в 10 раз, а на расстояниях порядка х ~ 5z=5 мм спадает почти в 100 раз. Поэтому, для образцов длиной более 10 мм влиянием заряда на одном конце АФМ на индукцию над другим концом можно пренебречь и достаточно измерять профили значений лишь над одним из концов АФМ на основе Fe на сравнительно небольшом промежутке ΔХ~±5z = 10 мм.Note also that for a long Fe-based AFM sample, when the parameters z, u are much less than 2L, (case 2L>10 mm), the measured induction differs noticeably from zero only near the ends of the Fe-based AFM. According to preliminary studies, at characteristic distances along the X axis from the end of the Fe-based AFM (about three measurement heights, z - 1 mm, x - 3z = 3 mm), the magnitude of the measured signal decreases by approximately 10 times, and at distances of the order of x ~ 5z=5 mm decreases almost 100 times. Therefore, for samples with a length of more than 10 mm, the influence of the charge at one end of the AFM on the induction above the other end can be neglected and it is sufficient to measure the value profiles only over one of the ends of the Fe-based AFM over a relatively small interval ΔХ~±5z = 10 mm.

При этом, в предлагаемом техническом решении образец АФМ на основе Fe длиной 2L фиксируют на координатном столике вдоль оси X, к образцу прикладывают внешнее намагничивающее однородное магнитное поле Н максимальной величины, направленное вдоль оси АФМ. Столик с образцом перемещают в плоскости X-Y с шагами δX, δY (~0.1 мм) на высоте измерения z (~ 1 мм) между образцом АФМ и ГМИ-датчиком, измеряющем распределение магнитной компоненты полей рассеяния B*_z(x_i,y_i) над поверхностью образца и получают поточечное магнитное изображение АФМ на основе Fe, размером ΔX×ΔY, превышающим линейный размер АФМ на 3-5 значений высоты измерения z, с двумя распределенными магнитными экстремумами над противоположными концами АФМ на основе Fe. Из полученного массива измеренных значений выбирают первый профиль значений длиной ΔХ [B*_z(x,y₀), H_max], соответствующих значениям вертикальной компоненты поля над осью АФМ, где Y₀ - координата, соответствующая положениям экстремумов. Затем уменьшают величину внешнего магнитного поля на величину ΔН и повторно измеряют локальную магнитную компоненту B*_z(x) только вдоль оси АФМ на основе Fe, при Y=Y₀, и получают второй профиль значений длиной ΔХ [B*_z(x), H_max - ΔН]. Данную процедуру измерений повторяют для всех значений внешних магнитных полей в диапазоне ±H_max - с шагом ΔН и получают массив данных [В*_z-(х)_i H_i], который используют для вычисления магнитного момента [M_i, H_i] образца АФМ и построения его петли гистерезиса.In this case, in the proposed technical solution, an Fe-based AFM sample with a length of 2L is fixed on a coordinate table along the X axis, and an external magnetizing uniform magnetic field H of maximum magnitude directed along the AFM axis is applied to the sample. The table with the sample is moved in the XY plane with steps δX, δY (~0.1 mm) at the measurement height z (~ 1 mm) between the AFM sample and the GMI sensor, which measures the distribution of the magnetic component of the stray fields B* _z (x _i ,y _i ) above the surface of the sample and obtain a point-by-point magnetic image of an Fe-based AFM, size ΔX×ΔY, exceeding the linear size of the AFM by 3-5 values of the measurement height z, with two distributed magnetic extrema above the opposite ends of the Fe-based AFM. From the resulting array of measured values, the first profile of values of length ΔХ [B* _z (x,y ₀ ), H _max ] is selected, corresponding to the values of the vertical component of the field above the AFM axis, where Y ₀ is the coordinate corresponding to the positions of the extrema. Then the magnitude of the external magnetic field is reduced by the value ΔН and the local magnetic component B* _z (x) is re-measured only along the axis of the Fe-based AFM, at Y=Y ₀ , and a second profile of values of length ΔХ [B* _z (x), H _max - ΔН]. This measurement procedure is repeated for all values of external magnetic fields in the range ±H _max - with a step of ΔH and a data array [B* _z -(x) _i Hi _] is obtained, which is used to calculate the magnetic moment [M _i , _Hi ] of the sample AFM and construction of its hysteresis loop.

При измерении длинных (2L>10 мм) образцов АФМ на основе Fe сканирование проводят лишь над одним из концов образцом АФМ в сравнительно небольшой области Δх ~±5z=10 мм, при высоте сканирования z ~ 1 мм, а обработку проводят с учетом вклада только одного конца АФМ.When measuring long (2L>10 mm) Fe-based AFM samples, scanning is carried out only over one of the ends of the AFM sample in a relatively small area Δх ~±5z=10 mm, with a scanning height z ~ 1 mm, and processing is carried out taking into account the contribution only one end of the AFM.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим графическим материалом:The essence of the proposed method is illustrated by the following graphic material:

На фигуре 1 представлено измеренное распределение вертикальной компоненты магнитной индукции B_ze(x,y) над образцом АФМ на основе Fe длиной 6.5 мм в максимальном внешнем магнитном поле 320 А/м.Figure 1 shows the measured distribution of the vertical component of magnetic induction B _ze (x,y) over a 6.5 mm long Fe-based AFM sample in a maximum external magnetic field of 320 A/m.

На фигуре 2 представлены экспериментальные (точки) и расчетные (сплошные линии) профили значений длиной ΔХ, соответствующие значениям вертикальной компоненты поля над осью образца АФМ на основе Fe длиной 6,5 мм, измеренные во внешних полях H_i 320 А/м и 0 А/м, соответственно. Хорошее совпадение расчетных и измеренных профилей значений говорит об адекватности предложенной модели.Figure 2 shows experimental (dots) and calculated (solid lines) profiles of values of length ΔХ, corresponding to the values of the vertical field component above the axis of an Fe-based AFM sample 6.5 mm long, measured in external fields _Hi 320 A/m and 0 A /m, respectively. Good agreement between the calculated and measured value profiles indicates the adequacy of the proposed model.

Способ может быть осуществлен следующим образом на устройстве, состоящем из двухслойного магнитного экрана, выполненном из пермаллоя (обеспечивает ослабление магнитного поля Земли в ~ 500 раз), внутри которого размещен магнитометр с миниатюрным ГМИ-датчиком, система колец Гельмгольца и немагнитный подвижный XYZ механизм сканирования с координатным столиком для крепления образца. Управление устройством сканирования осуществляют с помощью системы сбора и обработки данных на основе персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. ГМИ-датчик при измерениях расположен вертикально, вдоль оси Z, на высоте измерения z, от рабочей поверхности координатного столика (плоскость Х-У). Исследуемый образец АФМ на основе Fe закреплен таким образом, чтобы его ось была параллельна оси X координатного столика.The method can be carried out as follows on a device consisting of a two-layer magnetic screen made of permalloy (provides a weakening of the Earth's magnetic field by ~ 500 times), inside of which there is a magnetometer with a miniature GMI sensor, a system of Helmholtz rings and a non-magnetic movable XYZ scanning mechanism with a coordinate table for fastening the sample. The scanning device is controlled using a data collection and processing system based on a personal computer with specialized software. During measurements, the GMI sensor is located vertically, along the Z axis, at the measurement height z, from the working surface of the coordinate table (X-Y plane). The Fe-based AFM sample under study is fixed in such a way that its axis is parallel to the X-axis of the coordinate stage.

В области размещения образца АФМ на основе Fe создают максимальное постоянное магнитное поле H_max, направленное параллельно его оси. Поле создается системой колец Гельмгольца с управляемым источником тока, позволяющим задавать магнитное поле Н, намагничивающее АФМ на основе Fe. При этом ГМИ-датчик слабо реагирует на внешнее магнитное поле Н, но сохраняет высокую чувствительность при измерениях распределения вертикальной компоненты локальных магнитных полей B_z(x,y), порождаемых намагниченностью АФМ на основе Fe.In the area where the Fe-based AFM sample is placed, a maximum constant magnetic field H _max is created, directed parallel to its axis. The field is created by a system of Helmholtz rings with a controlled current source, which makes it possible to set the magnetic field H, which magnetizes the Fe-based AFM. In this case, the GMI sensor responds weakly to the external magnetic field H, but retains high sensitivity when measuring the distribution of the vertical component of local magnetic fields B _z (x,y) generated by the magnetization of Fe-based AFM.

В ходе экспериментов с помощью установленного на персональном компьютере программного обеспечения управления, сбора и обработки данных обеспечивают взаимное относительное перемещение между столиком с образцом и ГМИ-датчиком в плоскости Х-У с шагами δХ, δY (~ 0.1 мм) на высоте измерения z (~ 1 мм) между образцом АФМ и ГМИ-датчиком и измеряют полное распределение магнитной компоненты полей рассеяния B*_z(x_i,y_i) над образцом в зависимости от X-Y координат для максимального значения внешнего магнитного поля H_max, задаваемого током в катушках Гельмгольца. Затем находят координаты магнитных экстремумов, определяют координату Y₀, соответствующую положениям магнитных экстремумов и выбирают первый профиль значений [B*_z(x,y₀), H_max], после чего уменьшают величину внешнего магнитного поля на величину ΔН и проводят повторные измерения локальной магнитной компоненты полей рассеяния B*_z(x) вдоль оси АФМ, при Y=Y₀, и получают второй профиль значений [B*_z(x), H_max - ΔН], данную процедуру измерений повторяют при всех значениях внешних магнитных полей в диапазоне ±H_max. с шагом ΔН и, в результате получают массив данных [В*₂(х)_i H_i] в диапазоне ±H_max, после чего проводят обработку данных путем сравнения экспериментальных и расчетных профилей значений и по лучшему их совпадению определяют соответствующие величины магнитного момента исследуемого образца АФМ на основе Fe [M_i, H_i], которые используются для построения петли гистерезиса.During the experiments, using control, data collection and processing software installed on a personal computer, mutual relative movement is provided between the stage with the sample and the GMI sensor in the X-Y plane with steps δХ, δY (~ 0.1 mm) at the measurement height z (~ 1 mm) between the AFM sample and the GMI sensor and measure the total distribution of the magnetic component of the stray fields B* _z (x _i , y _i ) above the sample depending on the XY coordinates for the maximum value of the external magnetic field H _max specified by the current in the Helmholtz coils. Then the coordinates of the magnetic extrema are found, the coordinate Y ₀ is determined corresponding to the positions of the magnetic extrema and the first profile of values [B* _z (x,y ₀ ), H _max ] is selected, after which the magnitude of the external magnetic field is reduced by the amount ΔН and repeated measurements of the local magnetic component of the stray fields B* _z (x) along the AFM axis, at Y=Y ₀ , and obtain the second profile of values [B* _z (x), H _max - ΔH], this measurement procedure is repeated for all values of external magnetic fields in range ±H _max . with a step ΔН and, as a result, a data array [B* ₂ (x) _{i Hi} ] is obtained in the range ±H _max , after which the data is processed by comparing experimental and calculated profiles of values and, based on their best agreement, the corresponding values of the magnetic moment of the studied AFM sample based on Fe [M _i , Hi _] , which are used to construct the hysteresis loop.

Предлагаемое решение было реализовано в виде экспериментального образца и полученные данные подтвердили ожидаемый технический результат. Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с известным прототипом заключается в том, что измерение профилей значений над осью АФМ на основе Fe позволяет находить петли гистерезиса коротких и длинных образцов магнитомягких материалов и образцов с особо малыми магнитными моментами, в том числе АФМ на основе Fe. При этом значительно сокращается набор используемых данных и время их обработки. Использование предлагаемого способа дает возможность дополнительно определять ширину замыкающих доменов АФМ на основе Fe в зависимости от величины внешнего намагничивающего поля.The proposed solution was implemented in the form of an experimental sample and the data obtained confirmed the expected technical result. The advantage of the proposed invention compared to the known prototype is that measuring profiles of values above the axis of an Fe-based AFM makes it possible to find the hysteresis loops of short and long samples of soft magnetic materials and samples with particularly low magnetic moments, including Fe-based AFMs. At the same time, the set of data used and the processing time are significantly reduced. The use of the proposed method makes it possible to additionally determine the width of the closing domains of Fe-based AFMs depending on the magnitude of the external magnetizing field.

Claims (3)

1. Способ определения петель гистерезиса аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ) на основе железа (Fe), в котором исследуемый образец фиксируют вдоль оси X координатного столика, намагничивают однородным внешним магнитным полем, направленным вдоль оси АФМ на основе Fe, обеспечивают взаимное относительное перемещение между столиком с образцом и магнитоимпедансным (ГМИ) датчиком в плоскости X-Y с шагами δX, δY ~ 0,1 мм на высоте измерения z ~ 1 мм между образцом АФМ и ГМИ-датчиком, измеряющим локальную магнитную компоненту полей рассеяния B*_z(x_i,y_i) над поверхностью образца и получают поточечное магнитное изображение образца АФМ на основе Fe, размером ΔX×ΔY, превышающим линейный размер АФМ на 3-5 значений высоты измерения z,1. A method for determining the hysteresis loops of amorphous ferromagnetic microwires (AFM) based on iron (Fe), in which the sample under study is fixed along the X-axis of a coordinate stage, magnetized with a uniform external magnetic field directed along the axis of the Fe-based AFM, and mutual relative movement between the stage is ensured with a sample and a magnetic impedance (GMI) sensor in the XY plane with steps δX, δY ~ 0.1 mm at a measurement height z ~ 1 mm between the AFM sample and the GMI sensor measuring the local magnetic component of stray fields B* _z (x _i ,y _i ) above the surface of the sample and obtain a point-by-point magnetic image of the Fe-based AFM sample, size ΔX×ΔY, exceeding the linear size of the AFM by 3-5 values of the measurement height z, отличающийся тем, что получают первоначальное поточечное магнитное изображение АФМ на основе Fe в виде двух распределенных магнитных экстремумов над его противоположными концами в максимальном внешнем магнитном поле H_max, направленном вдоль оси АФМ на основе Fe и из полученного массива измеренных значений, выбирают первый профиль значений длиной ΔХ[B*_z(x,y₀),H_max], соответствующих значениям вертикальной компоненты поля над осью АФМ, где Y₀ - координата, соответствующая положениям магнитных экстремумов, после чего уменьшают величину внешнего магнитного поля на величину ΔН и проводят повторные измерения локальной магнитной компоненты полей рассеяния В*_z(х) вдоль оси АФМ на основе Fe, с шагом ΔX, при Y=Y₀, и получают второй профиль значений длиной АХ [B*_z(x), H_max-ΔН], данную процедуру измерений повторяют при всех значениях внешних магнитных полей в диапазоне ±H_max, с шагом δH и в результате получают массив данных [B*_z(x)_i,H_i] в диапазоне ±H_max, затем проводят обработку данных путем сравнения экспериментальных и расчетных профилей значений и по лучшему их совпадению определяют соответствующие величины магнитного момента исследуемого образца АФМ на основе Fe [M_i, H_i], которые используют для построения петли гистерезиса.characterized in that an initial point-by-point magnetic image of an Fe-based AFM is obtained in the form of two distributed magnetic extrema above its opposite ends in the maximum external magnetic field H _max directed along the axis of the Fe-based AFM and from the resulting array of measured values, a first value profile of length is selected ΔХ[B* _z (x,y ₀ ),H _max ], corresponding to the values of the vertical component of the field above the AFM axis, where Y ₀ is the coordinate corresponding to the positions of the magnetic extrema, after which the magnitude of the external magnetic field is reduced by the amount ΔН and repeated measurements are carried out local magnetic component of the stray fields B* _z (x) along the axis of the Fe-based AFM, with a step ΔX, at Y=Y ₀ , and obtain a second profile of values of length AX [B* _z (x), H _max -ΔH], given the measurement procedure is repeated for all values of external magnetic fields in the range ±H _max , with a step of δH and as a result, a data array [B* _z (x) _i ,H _i ] is obtained in the range ±H _max , then the data is processed by comparing experimental and calculated profiles of values and, based on their best agreement, determine the corresponding values of the magnetic moment of the studied Fe-based AFM sample [M _i , Hi _] , which are used to construct the hysteresis loop. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при исследовании длинных превышающих на порядок высоту измерения z образцов АФМ на основе Fe проводят сканирование только над одним концом АФМ и получают часть профиля значений ΔХ, составляющую порядка ±5z, а обработку проводят с учетом вклада только одного конца АФМ на основе Fe.2. The method according to claim 1, characterized in that when studying long Fe-based AFM samples exceeding the measurement height z by an order of magnitude, scanning is carried out only over one end of the AFM and a part of the profile of ΔX values is obtained, which is on the order of ±5z, and the processing is carried out taking into account contribution from only one end of the Fe-based AFM.