Vibreeriva prooviga magnetomeeter

Vibreeriva prooviga magnetomeeter (vibrating sample magnetometer, VSM) on seade aine magnetiliste omaduste mõõtmiseks. VSM abil saab uurida väikseid, kuni 10 mm² suurusi objekte ning see on üks tavalisemaid magnetomeetreid nii uurimislaborites kui tehastes. VSM kuulub induktiivsete mõõtmistehnikate klassi, mõõtes muutuva magnetvoo poolt korjepoolides indutseeritud pinget. Tänapäevase VSM-i tundlikkus on kuni 10^-6 emu ning väljalahutus kuni 1 mOe. Varustades VSM-i krüostaadi või kuumutusmooduliga, saab selle seadme abil mõõta proove temperatuurivahemikus 4–1000 K ^[1]. Eestis kasutatakse VSM-i Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis, ühendatuna füüsikaliste omaduste mõõtmise süsteemiga (PPMS, Physical Property Measurement System). ^[2]

Ajalugu

Vibreeriva objektiga magnetomeetri töötas 1955. aastal välja Simon Foner MIT Lincoln Laboratorys, tuginedes D. O. Smithi välja töötatud vibreeriva pooliga magnetomeetri tööpõhimõttele^[3]. Aastal 1959 avaldas Simon ka teadusartikli, milles kirjeldati seadme ehitust, omadusi ja tööpõhimõtet. Artiklis väideti:

„"/-/ Lisaks mugavate mõõtmiste läbiviimise võimalusele tavalises laboratoorses elektromagnetis eemaldab või minimeerib see seade paljudes teistes meetodites leiduvaid veaallikaid. See on lihtne, vähekulukas ja paindlik, samas lubades täpseid magnetmomendi mõõtmisi homogeenses magnetväljas sõltuvalt temperatuurist, magnetväljast ja kristallograafilisest suunast. /-/"“

Artiklis kirjeldatud mudelis kasutati proovi liigutamiseks tavalist kõlarit, toodud olid ka tehnilised joonised madalatemperatuuriliste mõõtmiste läbiviimiseks vajaliku krüostaadi ehitamiseks^[4].

Ehitus

Vibreeriva prooviga magnetomeeter koosneb elektromagnetite paarist, mille külge on kinnitatud korjepoolid. Elektromagnetite vahel on tühimik, kuhu asetatakse proovi hoidev varras koos uuritava prooviga. Elektromagnetite abil tekitatakse proovi ümber ühtlane magnetväli tugevusega kuni 30 kOe (ülijuhtivate magnetite abil on VSM-il saavutatav magnetvälja tugevus kuni 160 kOe)^[1]. Magnetvälja tugevuse mõõtmiseks on elektromagnetite vahel väljasensor. Proovi liigutatakse mehaaniliselt üles-alla (Z-telge pidi) vibratsioonimooduli, milleks on tänapäeval näiteks piesoelektriline aktuaator, abil. Proovist eemal, vibratsioonimooduli lähedal, võib asuda teinegi korjepoolide paar ja nende vahel koos proovi hoidva vardaga liikuv püsimagnet, mis võimaldab saada tagasisidet proovi liikumisest.

Tööpõhimõte

Hüstereesisilmuse näide ning olulisemad parameetrid, mida sellelt leida. B_R tähistab *jääkmagneetumust* ja H_C *koertsitiivsus*t. Vertikaalteljel on kujutatud elektromagnetite abil tekitatud väline magnetväli, mida mõõdetakse VSM-is väljasensori abil; horisontaalteljel on kujutatud uuritava objekti magnetmomenti, mis on määratud VSM-i korjepoolide väljundi alusel.

Asetades testitava objekti ühtlasesse magnetvälja, mis saavutatakse objekti mõõtmetest oluliselt suuremate elektromagnetite abil, on uuritav objekt käsitletav magnetilise dipoolina. Proovi hakatakse mehaaniliselt sinusoidselt võngutama elektromagnetitega tekitatud magnetväljaga ristuvas sihis. Magnetvood, mis pärinevad uuritavast objektist, indutseerivad Faraday induktsiooniseadusest tulenevalt elektromotoorjõu lähedalpaiknevas korjepoolis. Indutseeritud elektromotoorjõud Ɛ on võrdeline uuritava objekti magnetmomendiga ning on kirjeldatav valemiga:

$\epsilon ={3 \over 4\pi }\phi \theta M\omega g_{1}$

kus M on uuritava objekti magnetmoment, ω on vibratsiooni nurkkiirus ja g_l on instrumenditegur. Instrumenditeguri määramiseks mõõdetakse teadaoleva magnetmomendiga objekti ehk seade kalibreeritakse. Kalibreeritud instrumendi korral arvutatakse korjepoolide väljundist uuritava objekti magnetmoment, väljasensori abil tehakse kindlaks elektromagnetitega tekitatud magnetvälja tugevus. VSM-i väljundiks on objekti magnetmomendi sõltuvus magnetväljast ehk hüstereesisilmus, millest saab leida uuritava objekti mitmeid olulisi magnetilisi parameetreid – küllastusmagneetumus, jääkmagneetumus, koertsitiivsus^[1].

Kasutus

Vibreeriva prooviga magnetomeetrit kasutatakse^[1]^[5]

paljudes faasides (tahkete, pulbriliste, monokristalliliste, nanokristalliliste, vedelate) magnetmaterjalide uurimiseks;
pehmete magnetikilede ja -pulbrite uurimiseks;
suure magnetotakistusega spinnventiilkilede mõõtmiseks;
õhukesekilelise salvestuskeskkonna mõõtmiseks.

Vaata ka

Magnetomeeter

Viited

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Pan, G. (2002). Thin Films for High-Density Magnetic Recording, in: Handbook of Thin Film Materials, ed. H. S. Nalwa, Volume 5: Nanomaterials and Magnetic Thin Films, Academic Press, pp.495
↑ "Põhilised katseseadmed". Võrguallikas, URL: https://kbfi.ee/keemiline-fuusika/pohilised-katseseadmed/. Kasutatud 30.01.2017.
↑ Smith, D. O. (1956). "Development of a Vibrating‐Coil Magnetometer". Rev. Sci. Instrum. doi:10.1063/1.1715538.
↑ Foner, Simon (1959). "Versatile and Sensitive Vibrating-Sample Magnetometer". Rev. Sci. Instrum. 30 (7): 548–557. Bibcode:1959RScI...30..548F. doi:10.1063/1.1716679.
↑ Dodrill, B. C. (2012). "Characterizing Permanent Magnet Materials with a Vibrating Sample Magnetometer", Magnetics Magazine. Võrguallikas, URL https://web.archive.org/web/20170202054615/http://www.magneticsmagazine.com/main/channels/test-measurement/characterizing-permanent-magnet-materials-with-a-vibrating-sample-magnetometer/

[Pan-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Pan, G. (2002). Thin Films for High-Density Magnetic Recording, in: Handbook of Thin Film Materials, ed. H. S. Nalwa, Volume 5: Nanomaterials and Magnetic Thin Films, Academic Press, pp.495

[2] "Põhilised katseseadmed". Võrguallikas, URL: https://kbfi.ee/keemiline-fuusika/pohilised-katseseadmed/. Kasutatud 30.01.2017.

[3] Smith, D. O. (1956). "Development of a Vibrating‐Coil Magnetometer". Rev. Sci. Instrum. doi:10.1063/1.1715538.

[4] Foner, Simon (1959). "Versatile and Sensitive Vibrating-Sample Magnetometer". Rev. Sci. Instrum. 30 (7): 548–557. Bibcode:1959RScI...30..548F. doi:10.1063/1.1716679.

[5] Dodrill, B. C. (2012). "Characterizing Permanent Magnet Materials with a Vibrating Sample Magnetometer", Magnetics Magazine. Võrguallikas, URL https://web.archive.org/web/20170202054615/http://www.magneticsmagazine.com/main/channels/test-measurement/characterizing-permanent-magnet-materials-with-a-vibrating-sample-magnetometer/

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]