RU84587U1 - DEVICE FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF AMORPHIC FERROMAGNETIC MICROWIRES - Google Patents

Abstract

Устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ), состоящее из исследуемого АФМ, намотанного на бобину, закрепленную на оси шагового двигателя, соединенного с выходом схемы управления шаговым двигателем, при этом свободный конец АФМ пропущен через микрокапилляр, размещенный внутри соленоида, подключенного к выходу формирователя регулируемого постоянного тока, катушки зарождения домена, соединенной с выходом формирователя пилообразного тока, двух коротких приемных катушек, соединенных последовательно и подключенных ко входу усилителя, груза, закрепленного на свободном конце АФМ, платы управления и сбора данных, соединенной с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера, и состоящей из первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП-1), соединенного с выходом усилителя, двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых ЦАП-1 соединен со входом формирователя регулируемого постоянного тока, другой ЦАП-2 - со входом формирователя пилообразного тока, логический выход платы управления и сбора данных соединен со входом схемы управления шаговым двигателем, отличающееся тем, что в него дополнительно введены: длинная приемная катушка, второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП-2), при этом длинная приемная катушка соединена со входом второго усилителя сигналов, выход которого соединен со входом АЦП-2, входящего в состав платы управления и сбора данных, соединенной с регистратором.A device for measuring the characteristics of amorphous ferromagnetic microwires (AFM), consisting of the AFM under study, wound on a bobbin, mounted on the axis of a stepper motor, connected to the output of the stepper motor control circuit, while the free end of the AFM is passed through a microcapillary placed inside the solenoid connected to the output adjustable direct current driver, domain nucleation coil connected to the output of a sawtooth current driver, two short receiving coils connected by a follower but also connected to the input of the amplifier, a load fixed on the free end of the AFM, a control and data acquisition board connected to a registrar made in the form of a personal computer, and consisting of the first analog-to-digital converter (ADC-1) connected to the output of the amplifier, two digital-to-analog converters (DAC-1, DAC-2), one of which DAC-1 is connected to the input of the adjustable direct current driver, the other DAC-2 to the input of the sawtooth current driver, the logical output of the control and data acquisition board is connected with the input of the stepper motor control circuit, characterized in that it additionally includes: a long receiving coil, a second signal amplifier and a second analog-to-digital converter (ADC-2), while the long receiving coil is connected to the input of the second signal amplifier, the output of which is connected with the input of the ADC-2, which is part of the control and data acquisition board connected to the registrar.

Description

Заявляемое техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано в электронике для измерения локальных характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ) с положительной константой магнитострикции.The claimed technical solution relates to the field of measurement technology and can be used in electronics to measure the local characteristics of amorphous ferromagnetic microwires (AFM) with a positive magnetostriction constant.

АФМ в тонкой стеклянной оболочке с положительной константой магнитострикции и диаметром 10-30 микрометров демонстрируют уникальное бистабильное поведение, т.е. обладают практически прямоугольной петлей гистерезиса с малым коэрцитивным полем Нс<1 Эрстед. Такие АФМ весьма перспективны для применения в устройствах электронной техники (A.Zhukov, J.Gonzales "Amorphous magnetic materials for sensors", in Encyclopedia of Sensors, vol.X, С A.Grimes, E.C.Dickey and M.V.Pishko, Eds. American Scientific Publishers, 2006, pp.1-25). Однако для технических применений необходимо знать ряд важных физических характеристик АФМ, а именно, намагниченность насыщения M_s, константу магнитострикции λ_s, амплитуду закалочных напряжений (σ_zz-σ_φφ), величину магнитного поля зарождения доменных границ (ДГ) Н_n, скорость доменной границы V_dw и ее подвижность α, величину порогового магнитного поля распространения доменных границ Н_а и характерную ширину ДГ.AFMs in a thin glass shell with a positive magnetostriction constant and a diameter of 10-30 micrometers exhibit unique bistable behavior, i.e. possess an almost rectangular hysteresis loop with a small coercive field Hs <1 Oersted. Such AFMs are very promising for use in electronic devices (A.Zhukov, J. Gonzales "Amorphous magnetic materials for sensors", in Encyclopedia of Sensors, vol.X, C A.Grimes, ECDickey and MVPishko, Eds. American Scientific Publishers, 2006, pp. 1-25). However, for technical applications, it is necessary to know a number of important physical characteristics of the AFM, namely, saturation magnetization M _s , magnetostriction constant λ _s , amplitude of quenching stresses (σ _zz −σ _φφ ), magnitude of the magnetic field of nucleation of domain walls (DWs) H _n , domain velocity of the boundary V _dw and its mobility α, the magnitude of the threshold magnetic field of propagation of domain walls H _a and the characteristic width of the DW.

Известно устройство для измерения скорости доменной границы (D.-X. Chen, N.M.Dempsey, M.Vazquez, and A.Hernando, IEEE Trans, on Magn., V31, №1, 1995, pp781-787), содержащее АФМ, проходящий внутри соленоида, вдоль оси которого установлены катушка зарождения домена и две приемные катушки. К свободному концу АФМ прикреплен груз, создающий продольное механическое растяжение σ_s, АФМ. Исследования скорости прохождения ДГ выполняются для нескольких величин продольного механического растяжения. При каждом измерении с помощью соленоида создается магнитное поле, намагничивающее АФМ до насыщения, которое затем уменьшается до малой величины Н_а (ускоряющее поле), при этом его знак меняется на противоположный. После этого короткий магнитный импульс катушки зарождения домена создает в АФМ магнитный домен противоположного знака, ограниченный двумя ДГ. Под действием Н_а ДГ начинают двигаться в противоположных направлениях. При этом одна из ДГ проходит через приемные катушки, наводя в них сигнал ЭДС, поступающий на регистратор.A device for measuring the speed of a domain wall (D.-X. Chen, NMDempsey, M.Vazquez, and A.Hernando, IEEE Trans, on Magn., V31, No. 1, 1995, pp781-787) containing AFM passing inside a solenoid, along the axis of which a domain nucleation coil and two receiving coils are installed. A load is attached to the free end of the AFM, creating longitudinal mechanical tension σ _s , AFM. Investigations of the DW passage velocity are performed for several values of longitudinal mechanical tension. Each measurement using a solenoid creates a magnetic field magnetizing the AFM to saturation, which then decreases to a small value of H _a (accelerating field), while its sign changes to the opposite. After this, the short magnetic pulse of the domain nucleation coil creates in the AFM a magnetic domain of the opposite sign, limited by two DWs. Under the influence of N _and DW start moving in opposite directions. In this case, one of the DWs passes through the receiving coils, inducing an emf signal arriving at the recorder.

Особенностью известного устройства является то, что с его помощью можно измерять только усредненную по длине 10 см скорость прохождения ДГ и определять подвижность α только при различных продольных механических растяжениях σ_арр.A feature of the known device is that with its help it is possible to measure only the DW passage averaged over a length of 10 cm and determine the mobility α only at various longitudinal mechanical tensile strains σ _arr .

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микоропроводов (Патент РФ на полезную модель №68713 приор. 06.07.2007 заявка №2007125547 Авторы Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Усов Н.А., Жуков А.П., Ипатов М.П. и Гонзалес X. МПК G01V 15/00 G08B 13/24, G06K 19/12). Устройство содержит бобину с исследуемым АФМ, закрепленную на оси шагового двигателя. При этом АФМ пропущен внутри стеклянного микрокапилляра, который в свою очередь размещен в соленоиде. На микрокапилляре установлена катушка зарождения домена и две последовательно соединенные приемные катушки, расположенные на известном, заданном расстоянии друг от друга. К концу АФМ подвешен сменный груз, обеспечивающий продольное механическое растяжение АФМ. Шаговый двигатель подключен к выходу схемы управления шаговым двигателем. Соленоид, катушка зарождения домена и приемные катушки соединены соответственно с выходом формирователя регулируемого постоянного тока, выходом формирователя пилообразного тока и входом усилителя, которые, вместе со схемой управления шаговым двигателем, подключены к плате управления и сбора данных, размещенной внутри персонального компьютера. При этом плата управления и сбора данных состоит из первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП-1), соединенного с выходом усилителя, и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых подключен ко входу формирователя регулируемого постоянного тока, другой - ко входу формирователя пилообразного тока. Вход схемы управления шаговым двигателем подключен к логическому выходу платы управления и сбора данных. Плата соединена через последовательный интерфейс с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера, оснащенного специализированным программным обеспечением (ПО).The closest in technical essence to the claimed solution is a device for measuring the characteristics of amorphous ferromagnetic micropipes (RF patent for utility model No. 68713 prior. July 6, 2007 application No. 2007125547 Authors Gudoshnikov SA, Lyubimov B.Ya., Usov N.A. , Zhukov A.P., Ipatov M.P. and Gonzales X. IPC G01V 15/00 G08B 13/24, G06K 19/12). The device contains a reel with the AFM under study, mounted on the axis of the stepper motor. In this case, the AFM is passed inside the glass microcapillary, which in turn is located in the solenoid. A domain nucleation coil and two series-connected receiving coils located at a known, predetermined distance from each other are mounted on the microcapillary. At the end of the AFM, a removable load is suspended, providing longitudinal mechanical stretching of the AFM. The stepper motor is connected to the output of the stepper motor control circuit. The solenoid, domain nucleation coil and receiving coils are connected respectively to the output of the adjustable direct current driver, the output of the sawtooth current driver and the amplifier input, which, together with the stepper motor control circuit, are connected to the control and data acquisition board located inside the personal computer. At the same time, the control and data acquisition board consists of the first analog-to-digital converter (ADC-1) connected to the output of the amplifier, and two digital-to-analog converters (DAC-1, DAC-2), one of which is connected to the input of the adjustable constant shaper current, the other to the input of the sawtooth current driver. The input of the stepper motor control circuit is connected to the logic output of the control and data acquisition board. The board is connected via a serial interface with the registrar, made in the form of a personal computer equipped with specialized software (software).

После запуска программы управляющий сигнал обеспечивает перемещение АФМ в начальное положение и дальнейшее удержание его в этом положении на время измерений. Вдоль оси АФМ соленоид создает однородное магнитное поле, достаточное для насыщения АФМ, которое через небольшой промежуток времени (~0.1 сек), уменьшается до малой величины Н_а (порядка 1Э), при этом знак его меняется на противоположный. Линейно нарастающее магнитное поле катушки зарождения домена создает в АФМ магнитный домен обратного знака, ограниченный двумя ДГ. Момент зарождения магнитного домена t₁ фиксируется по появлению импульсов ЭДС в приемных катушках. Поле, создаваемое катушкой зарождения в момент t₁ является полем зарождения ДГ Н_n и фиксируется в регистраторе. Импульсы ЭДС приемных катушек несут также информацию о времени Δt прохождения ДГ через приемные катушки, т.е. о скорости ДГ в поле Н_а. Измерение величин Н_n и Δt в данной точке при фиксированных значениях груза и ускоряющего поля, является окончанием одного цикла измерений. Следующий цикл измерений отличается от предыдущего изменением значения одного из параметров. Результаты каждого цикла измерений поступают в ПК и с помощью ПО осуществляется обработка данных и регистрация получаемых параметров исследуемого АФМ.After starting the program, the control signal ensures the AFM moves to its initial position and further holds it in this position for the duration of the measurements. Along the axis of the AFM solenoid creates a uniform magnetic field sufficient to saturate the AFM, which after a short time span (~ 0.1 sec) is reduced to _a small value of H (about 1 Oe) while its sign is reversed. The linearly increasing magnetic field of the domain nucleation coil creates in the AFM a magnetic domain of the opposite sign, bounded by two DWs. The moment of nucleation of the magnetic domain t ₁ is fixed by the appearance of EMF pulses in the receiving coils. The field created by the nucleation coil at time t ₁ is the nucleation field of the domain wall Н _n and is fixed in the recorder. The EMF pulses of the receiving coils also carry information on the time Δt of the passage of the DW through the receiving coils, i.e. about the DW velocity in the field Н _а . The measurement of the values of H _n and Δt at a given point for fixed values of the load and the accelerating field, is the end of one measurement cycle. The next measurement cycle differs from the previous one by changing the value of one of the parameters. The results of each measurement cycle are sent to a PC and using the software, data is processed and registered parameters obtained for the AFM under study are recorded.

Недостатком прототипа являются его ограниченные функциональные возможности, не позволяющие в одном цикле измерений наряду с такими характеристиками АФМ, как магнитное поле зарождения ДГ и ее скорость при различных величинах продольного механического напряжения и ускоряющего поля, получать также значение намагниченности насыщения АФМ M_s, константу магнитострикции λ_s, амплитуду закалочных напряжений (σ_zz-σ_φφ) и важнейшую характеристику ДГ, ее характерную ширину δ. Намагниченность насыщения в прототипе измеряется независимо, с помощью другого метода, определять характерную ширину ДГ не представлялось возможным.The disadvantage of the prototype is its limited functionality, which does not allow in one measurement cycle, along with such characteristics of the AFM, as the magnetic field of the nucleation of a DW and its speed at various values of longitudinal mechanical stress and accelerating field, to obtain the value of the saturation magnetization AFM M _s , the magnetostriction constant λ _s , the amplitude of the quenching stresses (σ _zz -σ _φφ ) and the most important characteristic of the DW, its characteristic width δ. The saturation magnetization in the prototype is measured independently, using another method, to determine the characteristic width of the DW was not possible.

Решаемая техническая задача заключается в расширении функциональных возможностей устройства по сравнению с прототипом, а именно, наряду с измерением в одном цикле набора указанных в прототипе характеристик АФМ, также обеспечение возможности регистрации сигналов ЭДС приемных катушек и определения из этих сигналов указанных выше параметров: M_s, λ_s, (σ_zz-σ_φφ) и δ.The technical problem to be solved is to expand the functionality of the device compared to the prototype, namely, along with measuring in one cycle the set of AFM characteristics indicated in the prototype, it is also possible to register the emf signals of the receiving coils and determine the parameters mentioned above from these signals: M _s , λ _s , (σ _zz -σ _φφ ) and δ.

Для решения поставленной задачи в устройстве аналогичном прототипу вводят новый измерительный модуль, в котором кроме двух коротких приемных катушек дополнительно используется третья, длинная приемная катушка. При этом короткие катушки имеют длину менее 1 мм, а длинная катушка на порядок больше. Длина последней находится в прямой зависимости от расстояния L между короткими приемными катушками, определяющем максимальную скорость ДГ, которая может быть измерена в данной системе. Кроме того, форма сигналов ЭДС длинной приемной катушки позволяет анализировать отрезок микропровода внутри нее на наличие дефектов. Короткие катушки расположены по обеим сторонам длинной приемной катушки. В новом варианте измерительного модуля сдвоенные приемные катушки и длинна приемная катушка имеют заданное количество витков и известную геометрию. Рядом с одной из коротких приемных катушек расположена катушка зарождения домена. Вся система катушек помещается внутрь соленоида. В новом варианте измерителя для регистрации сигналов ЭДС длинной приемной катушки используется дополнительно второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП-2).To solve this problem, a new measuring module is introduced in a device similar to the prototype, in which, in addition to two short receiving coils, a third, long receiving coil is additionally used. At the same time, short coils have a length of less than 1 mm, and a long coil is an order of magnitude larger. The length of the latter is directly dependent on the distance L between the short receiving coils, which determines the maximum DW velocity that can be measured in this system. In addition, the waveform of the EMF of the long receiving coil allows you to analyze a segment of the microwire inside it for defects. Short coils are located on both sides of the long pickup coil. In the new version of the measuring module, the dual receiving coils and the long receiving coil have a given number of turns and a known geometry. Next to one of the short receiving coils is a domain nucleation coil. The entire coil system is placed inside the solenoid. In the new version of the meter, an additional second signal amplifier and a second analog-to-digital converter (ADC-2) are used to register the EMF signals of a long receiving coil.

Расширение функциональных возможностей измерительной системы обеспечивается за счет того, что в предложенном способе измерения сигнал ЭДС, наведенный в длинной приемной катушке (ε₁), содержит информацию о намагниченности насыщения АФМ, M_s, а сигнал ЭДС, наведенный в короткой приемной катушке, расположенной дальше от катушки зарождения домена, ε₂, дает возможность оценить характерную ширину ДГ.The functionality of the measuring system is expanded due to the fact that in the proposed measurement method, the EMF signal induced in a long receiving coil (ε ₁ ) contains information about the saturation magnetization AFM, M _s , and the EMF signal induced in a short receiving coil located further from the domain nucleation coil, ε ₂ , makes it possible to estimate the characteristic DW width.

Представленная функциональная схема устройства для измерения характеристик АФМ и ДГ в них содержит закрепленную на оси шагового двигателя 1 бобину 2 с исследуемым АФМ 3. Конец АФМ 3 пропущен внутри стеклянного микрокапилляра 4, размещенного в соленоиде 5. На микрокапилляре 4 внутри соленоида 5 установлена катушка зарождения домена 6, две последовательно соединенные короткие приемные катушки 7 и одна длинная приемная катушка 8. При этом по обе стороны от длинной приемной катушки 8 располагаются две короткие приемные катушки 7. Взаимное расположение всех приемных катушек строго определено и их геометрические параметры точно известны. К концу АФМ подвешен сменный груз 9, обеспечивающий продольное механическое растяжение АФМ. Шаговый двигатель 1 подключен к выходу схемы управления шаговым двигателем 10. Соединенные последовательно короткие приемные катушки 7 подключены ко входу первого усилителя сигналов 13, а длинная приемная катушка 8 подключена ко входу второго усилителя сигналов 14. Соленоид 5, катушка зарождения домена 6, приемные катушки 7 и 8 соединены соответственно с выходом формирователя регулируемого постоянного тока 11, выходом формирователя пилообразного тока 12, входом усилителя 13 и входом усилителя 14. Входы блоков 10-12 и выходы усилителей 13 и 14 подключены к плате управления и сбора данных 15, размещенной внутри персонального компьютера 16. При этом плата управления и сбора данных 15 состоит из двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП-1, АЦП-2), соединенных с выходами усилителей 13 и 14, и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых подключен к входу формирователя регулируемого постоянного тока 11, другой - к входу формирователя пилообразного тока 12. Вход схемы управления шаговым двигателем 10 подключен к логическому выходу платы управления и сбора данных 15. Плата управления и сбора данных 15 соединена через последовательный интерфейс с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера 16.The presented functional diagram of the device for measuring the characteristics of the AFM and DG in them contains a bobbin 2 with the AFM 3 being studied, mounted on the axis of the stepper motor 1. The end of the AFM 3 is passed inside the glass microcapillary 4 located in the solenoid 5. A domain nucleation coil is mounted on the microcapillary 4 inside the solenoid 5 6, two short receiving coils 7 connected in series and one long receiving coil 8. In this case, two short receiving coils 7 are located on both sides of the long receiving coil 8. Mutual arrangement ix all receiver coils are strictly defined and their geometric parameters are known exactly. At the end of the AFM, a removable load 9 is suspended, providing longitudinal mechanical tension of the AFM. The stepper motor 1 is connected to the output of the stepper motor control circuit 10. The short receiving coils 7 connected in series are connected to the input of the first signal amplifier 13, and the long receiving coil 8 is connected to the input of the second signal amplifier 14. Solenoid 5, domain 6 nucleation coil, receiving coils 7 and 8 are connected respectively to the output of the adjustable direct current driver 11, the output of the sawtooth current driver 12, the input of the amplifier 13 and the input of the amplifier 14. The inputs of the blocks 10-12 and the outputs of the amplifiers 13 and 14 are connected s to the control and data acquisition board 15 located inside the personal computer 16. The control and data acquisition board 15 consists of two analog-to-digital converters (ADC-1, ADC-2) connected to the outputs of amplifiers 13 and 14, and two digital-to-analog converters (DAC-1, DAC-2), one of which is connected to the input of the adjustable direct current driver 11, the other to the input of the sawtooth current driver 12. The input of the stepper motor control circuit 10 is connected to the logic output of the control and data acquisition board 15. Management fee tions and data collection 15 is connected through a serial interface with the registrar configured as a personal computer 16.

В ходе измерений получают экспериментальные зависимости H_n(x_i, m_j, Н_а), V_dw(x_i, m_j, Н_а) и зависимости величин сигналов ε₁ и ε₂ от времени. Из этих зависимостей, с помощью специализированного ПО по формулам (1), (2), (3), (4), (5) и (6), приведенным ниже, получают набор физических характеристик АФМ и ДГ:In the course of measurements, experimental dependences of H _n (x _i , m _j , N _a ), V _dw (x _i , m _j , N _a ) and the dependence of the signal values ε ₁ and ε ₂ on time are obtained. From these dependencies, using specialized software according to formulas (1), (2), (3), (4), (5) and (6) below, we obtain a set of physical characteristics of AFM and DG:

где λ_s - константа магнитострикции провода, М_s[А/м] - намагниченность насыщения АФМ, (σ_zz-σ_φφ) [Па] - разность компонент тензора закалочных напряжений, σ_арр - амплитуда приложенного растягивающего напряжения, m - масса груза, подвешенного к микропроводу, g - ускорение свободного падения, ρ - отношение радиуса ферромагнитной жилы к полному радиусу АФМ, Е_m и E_g - модули Юнга аморфного ферромагнетика и стекла, соответственно. (A.S.Antonov, V.T.Borisov, O.V.Borisov, A.F.Prokoshin, N.A.Usov, "Residual quenching stresses in glass-coated amorphous ferromagnetic wires " J.Phys. D: Appl. Phys. 33, (2000) pp.1161-1168)where λ _s is the magnetostriction constant of the wire, M _s [A / m] is the saturation magnetization of the AFM, (σ _zz -σ _φφ ) [Pa] is the difference between the components of the quenching stress tensor, σ _arr is the amplitude of the applied tensile stress, m is the mass of the load, suspended from a microwire, g is the gravitational acceleration, ρ is the ratio of the radius of the ferromagnetic core to the total radius of the AFM, E _m and E _g are Young's moduli of the amorphous ferromagnet and glass, respectively. (ASAntonov, VTBorisov, OVBorisov, AFProkoshin, NAUsov, "Residual quenching stresses in glass-coated amorphous ferromagnetic wires" J.Phys. D: Appl. Phys. 33, (2000) pp. 1161-1168)

Отсюда, измеряя Н_n при различных приложенных нагрузках можно рассчитать λ_s по формуле:Hence, by measuring H _n at various applied loads, it is possible to calculate λ _s according to the formula:

где Δσ_app - разность напряжений при 2-х нагрузках, ΔH_n - разность величин полей зарождения ДГ при 2-х нагрузках.where Δσ _app is the voltage difference at 2 loads, ΔH _n is the difference in the values of the DW generation fields at 2 loads.

Скорость доменной границы V_dw рассчитывается по времени, затраченному ДГ на прохождение расстояния между короткими приемными катушками, по формуле:The velocity of the domain wall V _{dw is} calculated from the time taken by the DW to travel the distance between the short receiving coils, according to the formula:

где L - расстояние между короткими приемными катушками, Δt - время, между импульсами в коротких приемных катушках.where L is the distance between the short receiving coils, Δt is the time between pulses in the short receiving coils.

Зависимость величины сигнала ЭДС ε₂ от времени можно записать в виде:The time dependence of the signal EMF ε ₂ can be written in the form:

где - линейная плотность магнитного заряда доменной границы усредненная по поперечному сечению провода. Эта плотность может быть записана в виде:Where - the linear density of the magnetic charge of the domain wall averaged over the cross section of the wire. This density can be written as:

где δ - характерная ширина ДГ. Таким образом, зная заряд ДГ и ее скорость можно теоретически рассчитать зависимость ε(t), где единственной неизвестной величиной будет δ. Данная зависимость s(t) сравнивается с экспериментально измеренной ЭДС второй короткой приемной катушки ε₂ от времени. В процессе сравнения характерная ширина ДГ δ подбирается таким образом, чтобы теоретическая и экспериментальная зависимости имели минимальные отличия. Подобранная таким образом ширина ДГ δ является искомой характерной шириной ДГ.where δ is the characteristic width of the DW. Thus, knowing the DW charge and its velocity, we can theoretically calculate the dependence ε (t), where δ is the only unknown quantity. This dependence s (t) is compared with the experimentally measured EMF of the second short receiving coil ε ₂ versus time. In the process of comparison, the characteristic DW width δ is selected so that the theoretical and experimental dependences have minimal differences. The DW width δ selected in this way is the desired characteristic DW width.

Интеграл по времени от сигнала ЭДС, наводимого проходящей ДГ в длинной приемной катушке, пропорционален полному магнитному заряду Q, прошедшему через нее:The time integral of the EMF signal induced by the passing DW in a long receiving coil is proportional to the total magnetic charge Q passing through it:

Значение этого интеграла не зависит ни от формы ДГ, ни от ее скорости, а определяется зарядом ДГ. Следовательно, интегрируя сигнал в приемной катушке с известными параметрами можно рассчитать заряд ДГ. Для АФМ с положительной константой магнитострикции средняя намагниченность насыщения АФМ в направлении параллельном его оси:The value of this integral does not depend either on the shape of the DW or on its velocity, but is determined by the charge of the DW. Therefore, by integrating the signal in the receiving coil with known parameters, the DW charge can be calculated. For an AFM with a positive magnetostriction constant, the average saturation magnetization of the AFM in a direction parallel to its axis:

где F₁ и F₂ магнитные потоки с одной и другой стороны границы, S - площадь поперечного сечения ферромагнитной жилы.where F ₁ and F _{2 are} magnetic fluxes from one and the other side of the boundary, S is the cross-sectional area of the ferromagnetic core.

Процедура измерений происходит в следующей последовательности:The measurement procedure takes place in the following sequence:

1. Перед измерениями оператор задает начальное и конечное значения участка измерения АФМ, шаг, с которым будут проводиться измерения, величину груза m, диаметр жилы и полный диаметр АФМ, значения ускоряющих полей Н_а и дает команду «старт».1. Before measurements, the operator sets the initial and final values of the AFM measurement section, the step with which measurements will be taken, the load m, the diameter of the core and the full diameter of the AFM, the values of the accelerating fields H _a and gives the “start” command.

2. После запуска программы управляющий сигнал, поступающий с платы 15 на вход блока 10, обеспечивает вращение шагового двигателя 1 и перемещение АФМ в начальное положение, соответствующее координате X_i где i-1, 2,…,n, и дальнейшее удержание АФМ 3 в данном положении на время измерений.2. After starting the program, the control signal from the board 15 to the input of block 10 ensures the rotation of the stepper motor 1 and the AFM moves to the initial position corresponding to the coordinate X _i where i-1, 2, ..., n, and further holds the AFM 3 in this position at the time of measurement.

3. После остановки вращения шагового двигателя 1 с платы 15 выходное напряжение ЦАП-1 поступает на вход формирователя регулируемого постоянного тока 11, с выхода которого токовый сигнал поступает на соленоид 5. Под действием токового сигнала соленоид 5 на короткий (~0,1 сек) промежуток времени создает вдоль оси АФМ 3 однородное магнитное поле, достаточное для насыщения АФМ, которое потом уменьшается до малой величины На (~1 Э), при этом его знак меняется на противоположный и фиксируется на время проведения измерения.3. After stopping the rotation of the stepper motor 1 from the board 15, the output voltage of the DAC-1 is supplied to the input of the adjustable direct current driver 11, from the output of which the current signal is supplied to the solenoid 5. Under the action of the current signal, the solenoid 5 is short (~ 0.1 sec) the time interval creates a uniform magnetic field along the AFM 3 axis sufficient to saturate the AFM, which then decreases to a small value of Na (~ 1 Oe), while its sign changes to the opposite and is fixed for the duration of the measurement.

4. После включения в соленоиде 5 ускоряющего поля Н_а с платы 15 выходное напряжение ЦАП-2 поступает на вход формирователя пилообразного тока 12, с выхода которого токовый сигнал поступает на катушку 6 зарождения домена. Под действием токового сигнала в катушке зарождения ДГ 6 появляется нарастающее магнитное поле, сонаправленное с Н_а. Это поле нарастает внутри катушки 6 до момента зарождения в АФМ 3 магнитного домена обратного знака, ограниченного двумя ДГ. Момент появления магнитного домена - фиксируется по появлению импульса ЭДС в приемной катушке 7, расположенной вблизи катушки зарождения домена 6. Сигналы с приемных катушек 7 и 8 после усиления на усилителях 13 и 14 поступают на вход АЦП-1 и АЦП-2 платы управления и сбора данных 15, где преобразуются в цифровой вид и запоминаются далее в ПК, 16. Одновременно импульс ЭДС первой из коротких приемных катушек 7 является сигналом для остановки работы ЦАП-2 и для фиксации величины его выходного напряжения. Данное выходное напряжение далее пересчитывается в ПК 16 в значение магнитного поля Н_n, которое носит название магнитного поля зарождения ДГ и является одной из измеряемых величин.4. After turning the solenoid 5 accelerating field H _and output from the circuit board 15, DAC-2 to the input voltage of the sawtooth current generator 12, the output of which the current signal is supplied to the coil 6 of domain nucleation. Under the action of the current signal in the DG 6 nucleation coil, an increasing magnetic field appears, co-directional with H _a . This field grows inside the coil 6 until the nucleation in the AFM 3 of the magnetic domain of the opposite sign, limited to two DWs. The moment of the appearance of the magnetic domain is recorded by the appearance of an EMF pulse in the receiving coil 7 located near the domain 6 nucleation coil. The signals from the receiving coils 7 and 8 after amplification on amplifiers 13 and 14 are fed to the input of the ADC-1 and ADC-2 control and acquisition boards data 15, where they are converted to digital form and stored in the PC, 16. At the same time, the EMF pulse of the first of the short receiving coils 7 is a signal to stop the DAC-2 and to fix the value of its output voltage. This output voltage is then converted into PC 16 to the value of the magnetic field H _n , which is called the magnetic field of the nucleation of the DW and is one of the measured values.

5. Импульсы ЭДС коротких приемных катушек 7, преобразованные в цифровой вид и сохраненные в ПК 16, несут информацию о времени прохождения ДГ через приемные катушки 7, расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга. Разность расположения временных максимумов импульсов ЭДС Δt=(t₁-t₂) является следующей измеряемой величиной, позволяющей определить скорость ДГ в поле Н_а при данном механическом напряжении.5. The EMF pulses of the short receiving coils 7, converted to digital form and stored in PC 16, carry information about the transit time of the DW through the receiving coils 7 located at a fixed distance from each other. The difference in the location of the temporary maximums of the EMF pulses Δt = (t ₁ -t ₂ ) is the next measurable quantity, which makes it possible to determine the DW velocity in the field Н _а at a given mechanical stress.

6. Импульс ЭДС от второй из коротких приемных катушек 7, преобразованный в цифровой вид и сохраненный в ПК 16, несет информацию о характерной ширине ДГ. По этому сигналу, используя полученные ранее значения скорости ДГ и намагниченности АФМ, программа (при помощи алгоритма аппроксимации) определяет характерную ширину ДГ в поле На и при данном механическом напряжении.6. The EMF pulse from the second of the short receiving coils 7, converted to digital form and stored in PC 16, carries information about the characteristic width of the DW. Using this signal, using the previously obtained values of the DW velocity and the AFM magnetization, the program (using the approximation algorithm) determines the characteristic DW width in the field Na and at a given mechanical stress.

7. Сигнал ЭДС длинной приемной катушки 8, преобразованный в цифровой вид и сохраненный в ПК 16, несет информацию о средней намагниченности АФМ по его сечению. Величина интеграла этого сигнала по времени прямо пропорциональна намагниченности провода умноженной на площадь поперечного сечения жилы. Коэффициент пропорциональности зависит от геометрических параметров длинной приемной катушки 8 и заложен в программу. Величина этого интеграла является следующей измеряемой величиной, позволяющей определить среднюю намагниченность по сечению АФМ.7. The EMF signal of the long receiving coil 8, converted to digital form and stored in PC 16, carries information about the average magnetization of the AFM over its cross section. The time integral of this signal is directly proportional to the magnetization of the wire times the cross-sectional area of the core. The proportionality coefficient depends on the geometric parameters of the long receiving coil 8 and is embedded in the program. The value of this integral is the next measurable quantity, which makes it possible to determine the average magnetization over the AFM cross section.

8. Измерение величин H_n, Δt, средней намагниченности по сечению АФМ и характерной ширины ДГ в данной точке при фиксированных величинах груза и ускоряющего поля, является окончанием одного цикла измерений. Следующий цикл отличается от предыдущего изменением значения одного или нескольких параметров, указанных в пунктах 1, 2.8. The measurement of H _n , Δt, the average magnetization over the AFM cross section, and the characteristic DW width at a given point for fixed values of the load and the accelerating field, is the end of one measurement cycle. The next cycle differs from the previous one by changing the value of one or more parameters specified in paragraphs 1, 2.

9. Результаты каждого измерения поступают в ПК и с помощью ПО осуществляется обработка данных с учетом формул (1), (2), (3), (4), (5) и (6) и регистрация получаемых параметров АФМ.9. The results of each measurement are sent to a PC and data is processed using software taking into account formulas (1), (2), (3), (4), (5) and (6) and registration of the obtained AFM parameters.

Работу предлагаемого устройства рассмотрим на примере опытного образца устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов, реализованного на основе дискретных электронных компонентов (микросхем, резисторов, емкостей) и стандартной платы АЦП L-783 ф. «L-card», содержащей 12 разрядный АЦП, встроенные ЦАП-1 и ЦАП-2, и логический выход. В опытном образце исследовался АФМ состава Fe₇₄B_uSi_uC₂ с внутренним диаметром ферромагнитной жилы dm=17.6 мкм и полным диаметром стеклянной оболочки D=24 мкм. Катушка зарождения домена 6, короткие приемные катушки 7 и длинная приемная катушка 8 намотаны медным изолированным проводом диаметром 50 микрон непосредственно на стеклянный микрокапилляр 4 диаметром 0.5 мм. Длина указанных катушек составила, соответственно, 0.6 мм, 2 катушки по 0.7 мм и 17 мм. Соленоид 5 изготовлен из медного провода диаметром 0.3 мм длиной 40 мм на каркасе из оргстекла.We will consider the operation of the proposed device as an example of a prototype device for measuring the characteristics of amorphous ferromagnetic microwires, implemented on the basis of discrete electronic components (microcircuits, resistors, capacitors) and a standard ADC board L-783 f. “L-card”, containing a 12-bit ADC, built-in DAC-1 and DAC-2, and a logic output. An AFM of the composition Fe ₇₄ B _u Si _u C ₂ with the inner diameter of the ferromagnetic core dm = 17.6 μm and the total diameter of the glass shell D = 24 μm was studied in the prototype. The domain 6 nucleation coil, short receiving coils 7 and long receiving coil 8 are wound directly on a glass microcapillary 4 with a diameter of 0.5 mm with a copper insulated wire of 50 microns in diameter. The length of these coils was 0.6 mm, respectively, 2 coils of 0.7 mm and 17 mm each. Solenoid 5 is made of a copper wire with a diameter of 0.3 mm and a length of 40 mm on a plexiglass frame.

Устройство работает в автоматическом режиме под управлением персонального компьютера (ПК) 16 со специализированным программным обеспечением (ПО). ПО формирует команды, поступающие в плату 15 управления и сбора данных, которая, в свою очередь, задает сигналы управления на блоки 10-14. В качестве регистратора в нашем образце использован ПК 16 с центральным процессором типа «Пентиум-2», оперативной памятью 256 Мб и операционной системой Windows 2000. Возможны и другие типы микропроцессора, интерфейса и ПК.The device operates in automatic mode under the control of a personal computer (PC) 16 with specialized software (software). The software generates commands received on the control and data collection board 15, which, in turn, sets the control signals to blocks 10-14. In our sample, PC 16 with a Pentium-2 type central processor, 256 MB RAM and Windows 2000 operating system was used as a registrar. Other types of microprocessor, interface, and PC are also possible.

Таким образом, из совокупности измерений: Н_n(х_i m_j Н_а), Δt(x_i, m_j, Н_а) и зависимостей величин сигналов ε₁ и ε₂ от времени могут быть получены основные физические характеристики АФМ - намагниченность насыщения M_s, константу магнитострикции λ_s, амплитуду закалочных напряжений (σ_zz-σ_φφ), скорость ДГ V_dw характерную ширину ДГ δ и подвижность ДГ α. Все указанные характеристики измеряются в зависимости от координаты х_i вдоль оси АФМ.Thus, from the totality of measurements: Н _n (х _i m _j Н _а ), Δt (x _i , m _j , Н _а ) and the dependences of the values of the signals ε ₁ and ε ₂ on time, the main physical characteristics of the AFM — saturation magnetization — can be obtained M _s , magnetostriction constant λ _s , hardening stress amplitude (σ _zz −σ _φφ ), DW velocity V _dw characteristic DW width δ and DW mobility α. All these characteristics are measured depending on the coordinate x _i along the axis of the AFM.

Испытания созданного авторами опытного образца устройства для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов показали, что заложенные в нем технические параметры соответствуют расчетным, при этом была получена возможность измерения набора физических характеристик АФМ, позволяющих судить о магнитных свойствах и качестве исследуемого АФМ и его пригодности для использования в электронных устройствах.Tests of the prototype device for measuring the characteristics of amorphous ferromagnetic microwires created by the authors showed that the technical parameters incorporated in it correspond to the calculated ones, and it was possible to measure a set of physical characteristics of the AFM, which makes it possible to judge the magnetic properties and quality of the AFM under study and its suitability for use in electronic devices.

Claims (1)

Устройство для измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов (АФМ), состоящее из исследуемого АФМ, намотанного на бобину, закрепленную на оси шагового двигателя, соединенного с выходом схемы управления шаговым двигателем, при этом свободный конец АФМ пропущен через микрокапилляр, размещенный внутри соленоида, подключенного к выходу формирователя регулируемого постоянного тока, катушки зарождения домена, соединенной с выходом формирователя пилообразного тока, двух коротких приемных катушек, соединенных последовательно и подключенных ко входу усилителя, груза, закрепленного на свободном конце АФМ, платы управления и сбора данных, соединенной с регистратором, выполненным в виде персонального компьютера, и состоящей из первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП-1), соединенного с выходом усилителя, двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП-1, ЦАП-2), один из которых ЦАП-1 соединен со входом формирователя регулируемого постоянного тока, другой ЦАП-2 - со входом формирователя пилообразного тока, логический выход платы управления и сбора данных соединен со входом схемы управления шаговым двигателем, отличающееся тем, что в него дополнительно введены: длинная приемная катушка, второй усилитель сигналов и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП-2), при этом длинная приемная катушка соединена со входом второго усилителя сигналов, выход которого соединен со входом АЦП-2, входящего в состав платы управления и сбора данных, соединенной с регистратором.

A device for measuring the characteristics of amorphous ferromagnetic microwires (AFM), consisting of the AFM under study, wound on a bobbin, mounted on the axis of a stepper motor, connected to the output of the stepper motor control circuit, while the free end of the AFM is passed through a microcapillary placed inside the solenoid connected to the output adjustable direct current driver, domain nucleation coil connected to the output of a sawtooth current driver, two short receiving coils connected by a follower but also connected to the input of the amplifier, a load fixed on the free end of the AFM, a control and data acquisition board connected to a recorder made in the form of a personal computer, and consisting of the first analog-to-digital converter (ADC-1) connected to the output of the amplifier, two digital-to-analog converters (DAC-1, DAC-2), one of which DAC-1 is connected to the input of the adjustable direct current driver, the other DAC-2 to the input of the sawtooth current driver, the logical output of the control and data acquisition board is connected with the input of the stepper motor control circuit, characterized in that it additionally includes: a long receiving coil, a second signal amplifier and a second analog-to-digital converter (ADC-2), while a long receiving coil is connected to the input of the second signal amplifier, the output of which is connected with the input of the ADC-2, which is part of the control and data acquisition board connected to the registrar.