幾種常用的磁性測(cè)量?jī)x器

1、幾種常用的磁性測(cè)量?jī)x器第1頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)磁性信號(hào)及其產(chǎn)生方式磁場(chǎng)的產(chǎn)生方法磁性信號(hào)的采集方法磁性信號(hào)的處理內(nèi)容信號(hào)1第2頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的定義磁學(xué) 所有的物質(zhì)都具有某種磁性磁性信號(hào) 僅限于物質(zhì)的磁性 有時(shí)需要人為產(chǎn)生磁性信號(hào)信號(hào)2第3頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的確認(rèn)帶有磁性信號(hào)的物體穿過(guò)由導(dǎo)線構(gòu)成的回路時(shí)，將有感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。在閉合回路中產(chǎn)生感生電流。帶有磁性信號(hào)的物體在非均勻磁場(chǎng)中將受到力的作用。信號(hào)3第4頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9

2、點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的產(chǎn)生方法信號(hào)4含有剩磁的物體 單疇磁性顆粒（單個(gè)） 已充磁的永磁材料 經(jīng)特殊加工工藝處理的物體在磁場(chǎng)中的物體 任何處于磁場(chǎng)中的物體第5頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁場(chǎng)的產(chǎn)生磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布生物磁場(chǎng)天體磁場(chǎng)地磁場(chǎng)永磁體電磁鐵亥姆霍茲線圈超導(dǎo)磁體脈沖磁場(chǎng)第6頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的檢測(cè)目的信號(hào)5（基本）粒子的磁矩單原子、單分子的磁矩原子團(tuán)、聚合物的磁性大塊材料： (比)(飽和)磁矩(磁化強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度)、 (內(nèi)稟)矯頑力、居里溫度、(最大)磁能積、 磁化率、磁導(dǎo)率、磁疇、磁各向異性、 磁致伸縮，等等。

3、第7頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的檢測(cè)內(nèi)容磁性分類(lèi) 具體的物質(zhì)具有何種磁性磁性的變化規(guī)律 環(huán)境溫度、壓力、氣氛 外加電、磁場(chǎng) 時(shí)間信號(hào)7第8頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一磁性信號(hào)的測(cè)量?jī)x器信號(hào)8中子散射裝置、磁力顯微鏡磁磁作用回旋共振、自旋共振(鐵磁共振儀、亞鐵磁共振儀、反鐵磁共振儀、電子自旋共振儀、核磁共振儀、Mssbauer 譜儀)共振效應(yīng)磁光效應(yīng)磁力效應(yīng)沖擊法振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)VSM提拉樣品磁強(qiáng)計(jì)ESM超導(dǎo)量子(SQUID)磁強(qiáng)計(jì)電磁感應(yīng)Faraday效應(yīng)Kerr效應(yīng)、Faraday效應(yīng)磁圓（線）振二向色譜儀磁轉(zhuǎn)矩儀、磁天平交變梯

4、度磁強(qiáng)計(jì)AGFM第9頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一電 磁 感 應(yīng) 原 理Faraday Law ofElectromagnetic Induction第10頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一電 磁 感 應(yīng) 原 理面積A磁通量電磁感應(yīng)1第11頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一電 磁 感 應(yīng) 原 理磁通量電磁感應(yīng)2必須明確的幾個(gè)問(wèn)題自由空間的穩(wěn)態(tài)磁通可以直接測(cè)量磁通計(jì)樣品內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)磁通無(wú)法直接測(cè)量 ？變化的磁通可以直接測(cè)量如何產(chǎn)生變化的磁通如何測(cè)量變化的磁通第12頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一電 磁 感

5、 應(yīng) 原 理電磁感應(yīng)3t0t1(t)t沖 擊 法磁 強(qiáng) 計(jì) 法電 動(dòng) 法感應(yīng)（測(cè)量發(fā)電機(jī)）法電 子 積 分 器、數(shù) 字 積 分 器各種自動(dòng)直流磁性測(cè)量?jī)x器第13頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一沖 擊 法Ballistic Galvanometer（沖擊檢流計(jì)）第14頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一沖 擊 法沖擊法1最具原理性的磁性測(cè)量方法J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為偏轉(zhuǎn)角， 為阻尼系數(shù)w為扭轉(zhuǎn)系數(shù)，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度，A和N為面積和匝數(shù)，i為瞬時(shí)電流H線圈B線圈樣品沖擊檢流計(jì)第15頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一沖 擊 法沖擊法2應(yīng)盡量

6、滿足的條件靈敏度脈沖電流完畢之后，電流計(jì)線圈開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)： 電流計(jì)線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，越滿足此條件。檢流計(jì)處于臨界阻尼狀態(tài)； 檢流計(jì)比較慢地達(dá)到最大讀數(shù)，很快降為零。被測(cè)磁通應(yīng)盡量為瞬時(shí)變化： 非瞬時(shí)變化引入很大的誤差。線圈的自由振蕩周期要遠(yuǎn)大于磁通變化的時(shí)間 一般在10倍以上。需要測(cè)定沖擊檢流計(jì)的沖擊常數(shù)C 使用互感系數(shù)M已知的互感線圈。第16頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一沖 擊 法沖擊法3沖擊法的優(yōu)點(diǎn) 1、可以開(kāi)路、閉路測(cè)量； 2、儀器設(shè)備簡(jiǎn)單。閉路：磁路閉合開(kāi)路：磁路不閉合NS沖擊法的缺點(diǎn) 1、積分式數(shù)據(jù)采集：零漂移； 2、要求使用具有特定形狀的樣品； 3、靈敏度較

7、低。等截面積（常數(shù)）第17頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一沖擊法的使用教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)：電磁感應(yīng)定律工業(yè)：發(fā)電機(jī)工業(yè)：磁體的磁性能測(cè)量迴線儀：永磁材料的永磁性能檢測(cè)美國(guó)KJS公司中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院德國(guó)MagnetPhysik公司NIM2000系列Permagraph系列HG500第18頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)Vibrating Sample Magnetometer(VSM)第19頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一VSM的設(shè)計(jì)理念為什么要振動(dòng)樣品？為什么要使用雙線圈？四線圈？為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？為什么要定標(biāo)磁

8、矩？VSM的作業(yè)題目第20頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM1XYZ檢測(cè)線圈樣品磁偶極子磁偶極子的方向：？為什么要振動(dòng)樣品？第21頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM2VSM幾個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題樣品必須處于均勻磁場(chǎng)中：均勻區(qū)我們只能檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：檢測(cè)線圈怎樣得到磁偶極子：樣品、驅(qū)動(dòng)方式樣品線圈振幅頻率第22頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM3磁場(chǎng)均勻區(qū)螺線管d圓柱極頭電磁鐵圓臺(tái)極頭電磁鐵無(wú)限長(zhǎng)螺線管亥姆霍茲線圈超導(dǎo)磁體均勻區(qū)較大磁場(chǎng)強(qiáng)度可能

9、較低均勻區(qū)較小磁場(chǎng)強(qiáng)度可能很高第23頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM4檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Zaf()設(shè)線圈面積為S，匝數(shù)為N感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只有z方向分量第24頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM5檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)磁矩兩個(gè)關(guān)于線圈的假設(shè)：（永遠(yuǎn)適用）檢測(cè)線圈位置固定；樣品沿固定方向（X或者Y）磁化。式中為檢測(cè)線圈位置函數(shù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)磁矩驅(qū)動(dòng)方式線圈位置的關(guān)系如下：第25頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電壓有效值振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM6檢測(cè)磁矩的最終表達(dá)

10、式必須滿足的條件：（確保永遠(yuǎn)適用）檢測(cè)線圈尺寸、位置固定；樣品沿固定方向（X或者Y）磁化；樣品尺寸與線圈位置：滿足磁偶極子條件有足夠大的“鞍點(diǎn)區(qū)”第26頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM7串聯(lián)反接檢測(cè)線圈檢測(cè)線圈位置函數(shù)定義：空間位置函數(shù)fZ(r)中各頻率成份中與位置有關(guān)的函數(shù)， 為該頻率成份的線圈幾何因子KF?；l的線圈幾何因子KF1：為什么要使用雙線圈？第27頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM8串聯(lián)反接檢測(cè)線圈基頻（）的貢獻(xiàn)：12+ZXCoil 1Coil 2D線圈直徑：D樣品_線圈

11、：r（x）當(dāng)r2 5D2時(shí)，在 x 處，KF1為正即6326 11634在 x 處，KF1為負(fù)即24326 29634為什么要使用雙線圈？第28頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM9串聯(lián)反接檢測(cè)線圈二次諧波（2）的貢獻(xiàn)：+ZX對(duì)于滿足基頻線圈幾何因子所確定的串聯(lián)反接雙線圈，二次諧波在該線圈對(duì)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于零。49613054為什么要使用雙線圈？第29頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一不用線圈如何？使用磁場(chǎng)（自由空間磁通）傳感器？ 完全可以！必須解決的問(wèn)題：能夠扣除磁化磁場(chǎng)等雜散磁場(chǎng)的影響必須可以即時(shí)響應(yīng)磁通的變化必須

12、能夠?qū)Υ啪剡M(jìn)行定標(biāo)必須有滿足測(cè)量要求的靈敏度第30頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一為什么使用四線圈？鞍區(qū)磁場(chǎng)靈敏度ZX為什么要使用四線圈？基于電磁鐵的VSM：高磁場(chǎng)使得極頭間距變小，導(dǎo)致鞍區(qū)縮小減小線圈之間的距離可以提高靈敏度，但鞍區(qū)縮小四線圈可以使得鞍區(qū)擴(kuò)大，但降低了靈敏度第31頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM10“鞍點(diǎn)區(qū)”定義：對(duì)串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場(chǎng)區(qū)的中心位置附近， 線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)樣品位置不敏感的區(qū)域。磁化方向振動(dòng)方向橫向方向0距離“鞍點(diǎn)區(qū)”的意義樣品的安裝位置調(diào)節(jié)為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？第32頁(yè)，共

13、50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一什么時(shí)候需要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？任何時(shí)候?。ǔ藴y(cè)量進(jìn)行之中）磁矩定標(biāo)時(shí)；開(kāi)始測(cè)量樣品前定義：對(duì)串聯(lián)反接線圈，在樣品所處磁場(chǎng)區(qū)的中心位置附近， 線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)樣品位置不敏感的區(qū)域。為什么要調(diào)節(jié)鞍區(qū)？什么時(shí)候可以不用調(diào)節(jié)鞍區(qū)：樣品處于位置不敏感區(qū)！第33頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM11磁矩的定標(biāo)電壓有效值與磁矩的關(guān)系：標(biāo)準(zhǔn)樣品比磁化強(qiáng)度：Standard；質(zhì)量：mStandard待測(cè)樣品比磁化強(qiáng)度：Sample；質(zhì)量：mSample為什么要定標(biāo)磁矩？第34頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日

14、，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM12振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展歷史前提：滿足磁偶極子的條件驅(qū)動(dòng)：頻率、振幅穩(wěn)定 遠(yuǎn)離市電頻率及其諧波測(cè)量：檢測(cè)交流電壓非積分式第35頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM13振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展歷史1956， G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)1956， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)1959， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30,

15、548-557 (1959)1975， 被IEC(國(guó)際電工委員會(huì))推薦為測(cè)量鐵氧體材料 飽和磁化強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法之一1960s，鎖相放大技術(shù)(1930s)的使用1980s，自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛使用第36頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM14振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展歷史相敏檢波器鎖相放大器XY記錄儀電子計(jì)算機(jī)第37頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM15振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的制造商（僅供參考）美國(guó)ADE Technologies, Inc. (DMS)美國(guó)Lake Shore Cryotronics, (

16、EG&G)美國(guó)LDJ Electronics, Inc.美國(guó)Quantum Design Co. (Oxford)中國(guó)科學(xué)院物理研究所吉林大學(xué)物理系南京大學(xué)物理系第38頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM16振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的分類(lèi)：（一）具 體 類(lèi) 型樣 品 尺 寸大小振 動(dòng) 方 向通常與磁場(chǎng)平行通常與磁場(chǎng)垂直樣 品 振 幅大小（微振動(dòng)）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 磁通變化d/dt 磁矩mPPMS的VSM常規(guī)基于電磁鐵的VSM第39頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM17振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的分類(lèi)：（二）具 體 類(lèi)

17、 型磁場(chǎng)來(lái)源亥姆霍茲線圈電磁鐵超導(dǎo)磁體永磁體溫度范圍室 溫/低 溫/高 溫振動(dòng)方式機(jī)械驅(qū)動(dòng)/電磁驅(qū)動(dòng)靜電驅(qū)動(dòng)平行磁場(chǎng)檢測(cè)線圈雙線圈/四線圈信號(hào)采集相敏檢波/鎖相放大控制方式電子計(jì)算機(jī)單片機(jī)人工存儲(chǔ)處理電子計(jì)算機(jī)記錄儀第40頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng) 計(jì)VSM18VSM的優(yōu)點(diǎn) 1、非積分式同步采集，無(wú)零漂移； 2、原理簡(jiǎn)單，使用方便，適用面廣； 3、單點(diǎn)測(cè)量所需時(shí)間短； 4、靈敏度較高。VSM的缺點(diǎn) 1、只能開(kāi)路測(cè)量退磁修正； 2、樣品大小、位置影響測(cè)量結(jié)果。第41頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一振 動(dòng) 樣 品 磁 強(qiáng)

18、計(jì)VSM19相關(guān)參考文獻(xiàn)G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 45, 1181 (1974)S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 46, 1425 (1975)A. Zieba and S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 53, 13

19、44 (1982)S. Foner, J. Appl. Phys., 38, 1510 (1967)S. Foner, J. Appl. Phys., 79, 4740 (1996)第42頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一基于電磁鐵的VSM的問(wèn)題VSM20鏡像效應(yīng)（Image Effect）當(dāng)磁場(chǎng)高于某一值（純鐵極頭為2.0 T）時(shí)，磁化曲線突然下降。HM來(lái)源：1、極頭磁化飽和所致。2、線圈與極頭的幾何位置有關(guān)Hall磁強(qiáng)計(jì)線圈信號(hào)樣品信號(hào)電磁鐵的鏡像信號(hào)解決辦法：1、不用極頭；2、線圈遠(yuǎn)離極頭；3、修正磁矩定標(biāo)是否受影響？第43頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)

20、15分，星期一VSM的靈敏度VSM21靈敏度：取決于最小量程一般來(lái)說(shuō)，廠家給出的靈敏度無(wú)法在實(shí)際中達(dá)到。？影響信號(hào)檢測(cè)的因素：1、儀器本身的計(jì)量性能；2、樣品架的本底信號(hào)盡量減小樣品桿的信號(hào)盡量使樣品桿質(zhì)量均勻第44頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer(SQUID Magnetometer)第45頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)15分，星期一超 導(dǎo) 量 子 磁 強(qiáng) 計(jì)詳見(jiàn)本系列的超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度高：優(yōu)于VSM和ESM；單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)：已得到改善；使用液氦：SQUID放大器；超導(dǎo)磁體中有殘余磁場(chǎng)： Magnet Reset、Quench Magnet第46頁(yè)，共50頁(yè)，20