Макеты страниц ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРО- И ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА§ 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСАЕще в начале этого века Аркадьев (7] высказал мысль, что в переменных магнитных полях в ферромагнитных телах должен наблюдаться резонанс элементарных носителей магнитного момента — естественный ферромагнитный резонанс, и он же впервые наблюдал подобный ферромагнитный резонанс в железных и никелевых проволоках. Впервые объяснение этого явления было дано Дорфманом (13]. В 1935 г. Ландау и Лифшиц [26, 38] разработали общую теорию поведения ферромагнитных кристаллов в переменных магнитных полях с учетом структуры ферромагнитных областей и получили формулу для ферромагнитного резонанса. Позже Киттель [40], обобщив результаты исследования Ландау и Лифшица, учел действие поверхности образца и магнитной анизотропии и получил для резонансной частоты
где В частном случае, когда, например, образец представляет собой тонкую пластинку и поле направлено параллельно плоскости пластинки,
Если внешнее поле направлено перпендикулярно плоскости пластинки, то
Для образца в форме шара имеем
Поправочные члены
где Формулы (14.5) дают возможность определить константу анизотропии. Ферромагнитный резонанс во внешнем магнитном поле в никеле и железо-кремневых сплавах изучал Завойский [18], который создал высокочувствительную установку, основанную на методе вариации потерь в контуре. Почти одновременно этот эффект в ферромагнитных металлах обнаружил Гриффите [41]. Он применял для этой цели волновод с полым резонатором. В дальнейшем это явление было исследовано в других металлах и в ферромагнитных полупроводниках — ферритах [31, 42—46]. В этих и многих других работах определяли ширину резонансной линии и ее изменение с температурой и рассчитывали гиромагнитное отношение у или значение фактора Ланде Ферромагнитный резонанс можно исследовать при помощи резонансной полости, в которую помещают исследуемый металл в форме пластинки или образец из его порошка. При этом производят измерение добротности полости. На рис. 111 показана принципиальная схема установки для исследования ферромагнитного резонанса, которая была применена в работе [44]. Источником высокочастотных колебаний является клистронный генератор 1. Прямоугольные колебания подают на отражатель, который модулирует высокочастотные колебания. Калиброванный аттенюатор 3 регулирует амплитуду этих колебаний, которые частично отражаются резонансной полостью, расположенной на одном конце волновода. Отраженная мощность микроволнового излучения поступает в кристаллический детектор 12 через направленный ответвитель 4 и выпрямляется. Затем выпрямленный сигнал проходит через узкополосный усилитель 14 и синхронизированный детектор. При отражении высокочастотных колебаний от резонансной полости образуются стоячие волны, коэффициент которых можно измерить при помощи индикатора стоячих волн.
Рис. 111. Блок-схема установки для изучения ферромагнитного резонанса: 1 — клистрон, 2 — генератор прямоугольных колебаний, 3 — калиброванный аттенюатор, 4 — направленный ответвитель, 5 — индикатор стоячей волны, 6 — слюдяное окошко, 7 — трубка, соединяющаяся с насосом, 8 — охлаждающая водяная рубашка, 9 — полюсные наконечники электромагнита, 10 — резонансная полость, 11 — печь, 12 — кристаллический детектор, 13 — аттенюатор, 14 — узкополосный усилитель, 15 — синхронизированный усилитель, 16 — спектральный анализатор, 17 — катодный осциллограф, 18 — исследуемый образец Для определения частотных характеристик кристаллического детектора 12 и усилителя 15 используют калиброванный аттенюатор 3. В случае необходимости высокочастотные колебания можно направить в спектральный анализатор 16, где с помощью волномера измеряется частота. Резонансная полость 10 прямоугольного сечения является частью волновода. С одной стороны она заканчивается пластиной из ферромагнитного материала, а с другой — связана с окошком волновода, через который можно возбуждать колебания определенного типа. Следует отметить, что размеры диафрагмы (окошка) выбирают таким образом, чтобы резонансная полость имела слабую связь с волноводом. Отраженная мощность излучения должна составлять 10—20% падающей мощности. Резонансную полость с образцом помещают в пространство между полюсами 9 электромагнита, создающего постоянное магнитное поле напряженностью до 1,6» 106 а/л. Ширина зазора между полюсами электромагнита позволяет поместить там резонансную полость вместе с печью 11 для проведения исследования при различных температурах. Температуру измеряют с помощью платино-родиевой термопары, один конец которой прикреплен к торцовой стенке резонансной полости. Для предохранения стенок полости от окисления в ней создан вакуум порядка Волновод охлаждается проточной водой, которая протекает через охладительную рубашку. При проведении эксперимента необходимо особое внимание уделить изготовлению образца из исследуемого материала. При этом следует помнить, что образцы не должны иметь внутренних напряжений и поверхностных загрязнений, так как глубина проникновения высокочастотного электромагнитного поля равна приблизительно
где Для вычисления коэффициента стоячей волны можно также использовать формулу
где При применении последней формулы не нужно знать зависимость коэффициента стоячей волны
можно найти Добротность
где Вычисление
За эталонное значение Установка, показанная на рис. Лазукин установке состояла из латунной трубки с внутренним диаметром Для получения лучшей стабильности частоты осуществлялась двойная стабилизация питающего напряжения: ферромагнитным и электронным стабилизаторами. Это давало возможность поддерживать частоту клистрона с точностью до 0,1%. Чтобы нагрузка в линии не влияла на режим работы генератора, между нагрузкой и генератором вводили поглощающее сопротивление, которое обеспечивало нужную развязку. Измерительная линия на протяжении Энергия резонатора отсасывалась прямоугольной петлей и подавалась на высокочастотный кристаллический детектор, который был соединен с высокочувствительным гальванометром. При погружении зонда в измерительную полость изменение интенсивности колебаний не наблюдалось до Исследуемое вещество применяли в виде порошков и лент. Из мелкодисперсного порошка — ферромагнетика и диэлектрика приготовляли смесь, из которой затем изготовляли нужной формы образец. Размеры зерен порошка не превышали Для определения комплексной магнитной проницаемости измеряли коэффициент стоячей волны
где Исследование резонансного поглощения производили в следующем порядке. Прежде всего образец помещали в измерительную линию около поршня и вместе с ней располагали между полюсами электромагнита. Не меняя частоту генератора, измеряли смещение узлов Для расчета комплексной магнитной проницаемости используют формулу
где коэффициенты По формуле (14.12) можно точно определить
После дальнейшего упрощения получим
Эксперимент показывает, что кривые, полученные по точной формуле (14.12) и по приближенным (14.15), дают одно и то же значение резонансного поля. В заключение рассмотрим высокочувствительную схему, основанную на использовании разделительного кольца [28]. Эта схема позволяет наблюдать ферромагнитный резонанс на частоте Как видно из рисунка, мощность микроволнового излучения от клистронного генератора 1 подается через плечо
Рис. 112. Блок-схема установки с разделительным кольцом для исследования ферромагнитного резонанса: 1 — генератор, 2 — разделительное кольцо, которое заменяет двойной тройник, 3 — отрезок волновода с поршнем и образцом, 4-датчик измерителя поля, 5 — детектор, 6 — протонный измеритель напряженности поля, 7 — усилитель низкой частоты, 8 — осциллограф, 9 — электромагнит, 10 — волномер, 11 — согласователи, 12 — ферритовые вентили, 13 — держатель образца, 14 — исследуемый образец, 15 — модулирующие катушки Кривые резонансного поглощения наблюдают на экране осциллографа, развертка луча которого синхронизирована с частотой модулирующего поля, создаваемой катушками 15. Исследуемые образцы можно использовать или в виде полушара (монокристаллы) диаметром от 2 до Как мы уже отмечали, ширина резонансной кривой поглощения показывает зависимость поглощаемой мощности в исследуемом образце от величины постоянного магнитного поля. Эту величину определяют ядерным или парамагнитным датчиком, который помещают в магнитном поле рядом с образцом. На кривой поглощения, наблюдаемой на экране осциллографа, есть метка датчика, соответствующая кривой поглощения ядерного или парамагнитного резонанса. Эта метка и дает возможность измерить ширину кривой поглощения. В работе [6] разработан метод определения ширины линии по изменению частоты высокочастотных колебаний. Для этой цели применяют эхорезонатор, метка от которого находится также на кривой поглощения. Этот способ измерения ширины линии в основном применяют для измерения очень узких кривых поглощения.
|
Оглавление
|