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1、几种常用的磁性测量仪器第1页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的产生与检测磁性信号及其产生方式磁场的产生方法磁性信号的采集方法磁性信号的处理内容信号1第2页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的定义磁学 所有的物质都具有某种磁性磁性信号 仅限于物质的磁性 有时需要人为产生磁性信号信号2第3页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的确认带有磁性信号的物体穿过由导线构成的回路时，将有感生电动势产生。在闭合回路中产生感生电流。带有磁性信号的物体在非均匀磁场中将受到力的作用。信号3第4页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的产生方法信号41.含有剩磁的物体 单畴磁性颗粒
2、（单个）已充磁的永磁材料 经特殊加工工艺处理的物体2.在磁场中的物体 任何处于磁场中的物体第5页，共50页，编辑于2022年，星期五磁场的产生磁场磁场强度分布生物磁场天体磁场地磁场永磁体电磁铁亥姆霍兹线圈超导磁体脉冲磁场第6页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的检测目的信号51.（基本）粒子的磁矩2.单原子、单分子的磁矩3.原子团、聚合物的磁性4.大块材料：(比)(饱和)磁矩(磁化强度、磁感应强度)、(内禀)矫顽力、居里温度、(最大)磁能积、磁化率、磁导率、磁畴、磁各向异性、磁致伸缩，等等。第7页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的检测内容磁性分类 具体的物质具有何种磁性磁
3、性的变化规律 环境温度、压力、气氛 外加电、磁场 时间信号7第8页，共50页，编辑于2022年，星期五磁性信号的测量仪器信号8中子散射装置、磁力显微镜磁磁作用回旋共振、自旋共振(铁磁共振仪、亚铁磁共振仪、反铁磁共振仪、电子自旋共振仪、核磁共振仪、Mssbauer 谱仪)共振效应磁光效应磁力效应冲击法振动样品磁强计VSM提拉样品磁强计ESM超导量子(SQUID)磁强计电磁感应Faraday效应Kerr效应、Faraday效应磁圆（线）振二向色谱仪磁转矩仪、磁天平交变梯度磁强计AGFM第9页，共50页，编辑于2022年，星期五电 磁 感 应 原 理磁通量电磁感应2必须明确的几个问题1.自由空间的稳
4、态磁通可以直接测量磁通计2.样品内部的稳态磁通无法直接测量？3.变化的磁通可以直接测量1.如何产生变化的磁通2.如何测量变化的磁通第12页，共50页，编辑于2022年，星期五电 磁 感 应 原 理电磁感应3t0t1(t)t冲 击 法磁 强 计 法电 动 法感应（测量发电机）法电 子 积 分 器、数 字 积 分 器各种自动直流磁性测量仪器第13页，共50页，编辑于2022年，星期五冲 击 法Ballistic Galvanometer（冲击检流计）第14页，共50页，编辑于2022年，星期五冲 击 法冲击法1最具原理性的磁性测量方法J为转动惯量，为偏转角，为阻尼系数w为扭转系数，B0为磁感应强度
5、，A和N为面积和匝数，i为瞬时电流H线圈B线圈样品冲击检流计第15页，共50页，编辑于2022年，星期五冲 击 法冲击法2应尽量满足的条件灵敏度1.脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动：电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。2.检流计处于临界阻尼状态；检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。3.被测磁通应尽量为瞬时变化：非瞬时变化引入很大的误差。4.线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在10倍以上。5.需要测定冲击检流计的冲击常数C 使用互感系数M已知的互感线圈。第16页，共50页，编辑于2022年，星期五冲 击 法冲击法3冲击法的优点 1、可以开路、闭路测量；2、仪器设备简单。闭
6、路：磁路闭合开路：磁路不闭合NS冲击法的缺点 1、积分式数据采集：零漂移；2、要求使用具有特定形状的样品；3、灵敏度较低。等截面积（常数）第17页，共50页，编辑于2022年，星期五冲击法的使用教学演示实验：电磁感应定律工业：发电机工业：磁体的磁性能测量迴线仪：永磁材料的永磁性能检测美国KJS公司中国计量科学研究院德国MagnetPhysik公司NIM2000系列Permagraph系列HG500第18页，共50页，编辑于2022年，星期五振动样品磁强计Vibrating Sample Magnetometer(VSM)第19页，共50页，编辑于2022年，星期五VSM的设计理念为什么要振动样
7、品？为什么要使用双线圈？四线圈？为什么要调节鞍区？为什么要定标磁矩？VSM的作业题目第20页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM1XYZ检测线圈样品磁偶极子磁偶极子的方向：？为什么要振动样品？第21页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM2VSM几个关键的问题1.样品必须处于均匀磁场中：均匀区2.我们只能检测感应电动势：检测线圈3.怎样得到磁偶极子：样品、驱动方式4.样品线圈振幅频率第22页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM3磁场均匀区螺线管d圆柱极头电磁铁圆台极头电磁铁无限长螺线管亥姆霍兹线圈超导
8、磁体均匀区较大磁场强度可能较低均匀区较小磁场强度可能很高第23页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM4检测线圈感应电动势Zaf()设线圈面积为S，匝数为N感应电动势只有z方向分量第24页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM5检测线圈感应电动势磁矩两个关于线圈的假设：（永远适用）1.检测线圈位置固定；2.样品沿固定方向（X或者Y）磁化。式中为检测线圈位置函数感应电动势磁矩驱动方式线圈位置的关系如下：第25页，共50页，编辑于2022年，星期五感应电动势电压有效值振 动 样 品 磁 强 计VSM6检测磁矩的最终表达式必须满足的条件：（
9、确保永远适用）1.检测线圈尺寸、位置固定；2.样品沿固定方向（X或者Y）磁化；3.样品尺寸与线圈位置：满足磁偶极子条件4.有足够大的“鞍点区”第26页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM7串联反接检测线圈检测线圈位置函数定义：空间位置函数fZ(r)中各频率成份中与位置有关的函数，为该频率成份的线圈几何因子KF。基频的线圈几何因子KF1：为什么要使用双线圈？第27页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM8串联反接检测线圈基频（）的贡献：12+ZXCoil 1Coil 2D线圈直径：D样品_线圈：r（x）当r2 5D2时，在 x 处，K
10、F1为正即6326 11634在 x 处，KF1为负即24326 29634为什么要使用双线圈？第28页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM9串联反接检测线圈二次谐波（2）的贡献：+ZX对于满足基频线圈几何因子所确定的串联反接双线圈，二次谐波在该线圈对中的感应电动势等于零。49613054为什么要使用双线圈？第29页，共50页，编辑于2022年，星期五不用线圈如何？使用磁场（自由空间磁通）传感器？完全可以！？必须解决的问题：1.能够扣除磁化磁场等杂散磁场的影响2.必须可以即时响应磁通的变化3.必须能够对磁矩进行定标4.必须有满足测量要求的灵敏度第30页，共50页
11、，编辑于2022年，星期五为什么使用四线圈？鞍区磁场灵敏度ZX为什么要使用四线圈？基于电磁铁的VSM：1.高磁场使得极头间距变小，导致鞍区缩小2.减小线圈之间的距离可以提高灵敏度，但鞍区缩小3.四线圈可以使得鞍区扩大，但降低了灵敏度第31页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM10“鞍点区”定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近，线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。磁化方向振动方向横向方向0距离“鞍点区”的意义1.样品的安装2.位置调节为什么要调节鞍区？第32页，共50页，编辑于2022年，星期五什么时候需要调节鞍区？！任何时候！（除了测量进行
12、之中）1.磁矩定标时；2.开始测量样品前定义：对串联反接线圈，在样品所处磁场区的中心位置附近，线圈中的感应电动势对样品位置不敏感的区域。为什么要调节鞍区？什么时候可以不用调节鞍区：样品处于位置不敏感区！第33页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM11磁矩的定标电压有效值与磁矩的关系：标准样品比磁化强度：Standard；质量：mStandard待测样品比磁化强度：Sample；质量：mSample为什么要定标磁矩？第34页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM12振动样品磁强计的发展历史前提：满足磁偶极子的条件驱动：频率、振幅稳定
13、远离市电频率及其谐波测量：检测交流电压非积分式第35页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM13振动样品磁强计的发展历史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.,30,548-557(1959)1975，被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料 饱和磁化强度的标准方法之一1960s，锁相放大技术(1930s)的使用1980s，自动控制技术的广泛使用第3
14、6页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM14振动样品磁强计的发展历史相敏检波器锁相放大器XY记录仪电子计算机第37页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM15振动样品磁强计的制造商（仅供参考）美国ADE Technologies,Inc.(DMS)美国Lake Shore Cryotronics,(EG&G)美国LDJ Electronics,Inc.美国Quantum Design Co.(Oxford)中国科学院物理研究所吉林大学物理系南京大学物理系第38页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM16
15、振动样品磁强计的分类：（一）具 体 类 型样 品 尺 寸大小振 动 方 向通常与磁场平行通常与磁场垂直样 品 振 幅大小（微振动）感应电动势 磁通变化d/dt 磁矩mPPMS的VSM常规基于电磁铁的VSM第39页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM17振动样品磁强计的分类：（二）具 体 类 型磁场来源亥姆霍兹线圈电磁铁超导磁体永磁体温度范围室 温/低 温/高 温振动方式机械驱动/电磁驱动静电驱动平行磁场检测线圈双线圈/四线圈信号采集相敏检波/锁相放大控制方式电子计算机单片机人工存储处理电子计算机记录仪第40页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁
16、 强 计VSM18VSM的优点 1、非积分式同步采集，无零漂移；2、原理简单，使用方便，适用面广；3、单点测量所需时间短；4、灵敏度较高。VSM的缺点 1、只能开路测量退磁修正；2、样品大小、位置影响测量结果。第41页，共50页，编辑于2022年，星期五振 动 样 品 磁 强 计VSM19相关参考文献1.G.W.van Oosterhout,Appl.Sci.Res.,B6,101-104(1956)2.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,27,548(1956)3.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,30,548-557(1959)4.S.Foner,Rev.Sc
17、i.Instrum.,45,1181(1974)5.S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,46,1425(1975)6.A.Zieba and S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,53,1344(1982)7.S.Foner,J.Appl.Phys.,38,1510(1967)8.S.Foner,J.Appl.Phys.,79,4740(1996)第42页，共50页，编辑于2022年，星期五基于电磁铁的VSM的问题VSM20镜像效应（Image Effect）当磁场高于某一值（纯铁极头为2.0 T）时，磁化曲线突然下降。HM来源：1、极头磁化饱和所致。2、线圈与极头的
18、几何位置有关Hall磁强计线圈信号样品信号电磁铁的镜像信号解决办法：1、不用极头；2、线圈远离极头；3、修正磁矩定标是否受影响？第43页，共50页，编辑于2022年，星期五VSM的灵敏度VSM21灵敏度：取决于最小量程一般来说，厂家给出的灵敏度无法在实际中达到。？影响信号检测的因素：1、仪器本身的计量性能；2、样品架的本底信号尽量减小样品杆的信号尽量使样品杆质量均匀第44页，共50页，编辑于2022年，星期五超导量子磁强计Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer(SQUID Magnetometer)第45页，共50页，编
19、辑于2022年，星期五超 导 量 子 磁 强 计详见本系列的超导量子磁强计1.灵敏度高：优于VSM和ESM；2.单点测量时间较长：已得到改善；3.使用液氦：SQUID放大器；4.超导磁体中有残余磁场：Magnet Reset、Quench Magnet第46页，共50页，编辑于2022年，星期五电磁感应原理：总结利用电磁感应原理的磁强计的功能磁矩或者磁化强度的测量1.磁矩的磁场依赖关系：初始磁化曲线、磁滞迴线2.磁矩的温度依赖关系：热磁曲线3.磁矩的时间、频率依赖关系：磁粘滞、损耗第47页，共50页，编辑于2022年，星期五电磁感应原理注意事项一、样品移动线圈固定的仪器设备振动样品磁强计；超导
20、量子磁强计提拉样品磁强计（ACMS/PPMS）样品松动；样品杆或者样品室内残留磁性杂质的影响：数 据 点 无 规 跳 动。BB样品B杂质TMTM第48页，共50页，编辑于2022年，星期五电磁感应原理注意事项二、样品杆与样品的安装基于电磁铁的振动样品磁强计使用 磁性信号 较弱 的样品杆1.尽量减少固定样品的附加物，如胶囊、透明胶带等2.根据仪器设备的信号检测原理选择样品杆PPMS的振动样品磁强计PPMS_ACMS（提拉法）超导量子磁强计使用 均匀的 无限长的 样品杆第49页，共50页，编辑于2022年，星期五电磁感应原理注意事项三、闭路、开路与退磁修正2.除了冲击法，基于电磁感应原理的仪器设备须考虑退磁修正1.使用闭路测量的仪器设备不需要考虑退磁修正3.不必考虑退磁修正的情况：处于饱和磁化状态：MMS;饱和磁化强度处于完全退磁状态：M0 内禀矫顽力、磁性相变温度HMiHcMS4.必须考虑退磁修正的情况：与磁化强度M（或者磁场H）有关：剩磁Mr、磁能积(BH)Mr与磁化强度 M 没有关系磁化率？第50页，共50页，编辑于2022年，星期五