Внедрение: 2015 г.

В двух диссертационных работах ([1], [2]), посвящённых исследованию магнитокалорического эффекта в сплавах Гейслера, был использован оригинальный магнитометр VKAF‑02, разработанный В.В. Коледовым и А.А. Федием (название прибора образовано от заглавных букв Viktor Koledov, Alexander Fediy). В магнитометре был использован модуль АЦП/ЦАП E14‑140 для реализации функций измерения и управления в реальном масштабе времени. Внешний вид магнитометра приведён на рисунке 1. Сведения о приборе VKAF‑02, приводимые в этой статье, являются результатом компиляция данных обеих диссертаций. 

Рисунок 1. Магнитометр VKAF‑02. 

Прибор позволяет измерять низкополевую намагниченность образца при изменении температуры в диапазоне 140‑420 К. Принцип действия магнитометра основан на искажении ферромагнетиком магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом (рисунок 2).

Рисунок 2. принципиальная схема (а) и принцип действия (б) магнитометра VKAF‑02: 1 – датчик Холла; 2 – исследуемый образец;  3 – нагреватель;  4 – постоянный магнит.

Для измерения используется интегральный датчик Холла SS94A2, установленный таким образом, что силовые линии магнитного поля проходят параллельно рабочей плоскости датчика и не вызывают появления холловской ЭДС (рисунок 2,а). Таким образом, на выходе датчика Холла наблюдается нулевой сигнал. При помещении в поле постоянного магнита ферромагнитного образца он преломляет силовые линии, что приводит к сильному искажению поля вне ферромагнетика (рисунок 2,б). При этом возникает нормальная составляющая поля к рабочей плоскости датчика Холла, что приводит к появлению ненулевого сигнала на его выходе. На величину сигнала влияет, прежде всего, величина магнитной проницаемости материала образца, его форма и местоположение. Затем при помощи нагревателя 3 температура образца изменяется. При этом если магнитная проницаемость и восприимчивость будут изменяться, это скажется на степени искажения внешнего поля и, соответственно, на величине нормальной составляющей поля к рабочей плоскости датчика Холла. При достижении точки Кюри исследуемый материал теряет свои ферромагнитные свойства, магнитная восприимчивость стремится к нулю, а магнитная проницаемость – к единице. Образец при этом практически перестает искажать картину магнитного поля, а показания датчика Холла возвращаются к нулевому значению.

Измерительная вставка магнитометра (рисунок 3) выполнена из немагнитных материалов: алюминий, латунь, тефлон. Данные материалы не искажают магнитное поле постоянного магнита. Рисунок 3. Измерительная вставка магнитометра: 1 – коробка с микросхемой и термопарой; 2 – верхний фланец; 3 – корпус вставки; 4 – канал подачи паров азота; 5 – основание; 6 – держатель образца с нагревательным элементом; 7 – исследуемый образец; 8 – площадка для крепления датчика Холла; 9 – площадка для крепления магнитной системы; 10 – постоянный магнит Nd-Fe-B; 11 – нижний фланец.

Функциональная схема магнитометра изображена на рисунке 4.

Рисунок 4. Функциональная схема магнитометра.

Образец (О) (рисунок 4) помещается в канал из немагнитного материала. Снаружи по бокам канала располагаются постоянный магнит (NS) и датчик Холла (ДХ). Внутри канала в непосредственной близости от образца на специальном держателе закрепляются термопара и нагревающий элемент. Сигнал с термопары поступает на термопарный усилитель (ТУ), а с него – на первый канал (АЦП1) E14‑140. Сигнал с интегрального датчика Холла через усилитель с коэффициентом усиления К=5 поступает на второй канал (АЦП2). 

Охлаждение образца осуществляется парами жидкого азота. Для задания требуемой температуры управляющий сигнал с компьютера поступает на ЦАП E14‑140, а с него – на усилители мощности (У). В зависимости от полярности управляющего напряжения включается либо усилитель, питающий нагреватель образца, либо усилитель, управляющий нагревом жидкого азота. Соответственно происходит либо нагрев, либо охлаждение образца. Сигнал на выходе ЦАП имеет треугольную форму, а его скорость изменения достаточно мала, для того чтобы исследуемый образец успевал нагреться или остыть до нужной температуры по всему своему объему. 

Для измерения температуры используется термопара медь-константан. Термопара подключается к термопарному усилителю AD595 с электронной компенсацией холодного спая. Регистрация сигнала осуществляется на персональном компьютере через модуль АЦП с функцией ЦАП E14‑140.  

Для измерения напряженности магнитного поля используется интегральный датчик Холла типа SS94A2. 

Рисунок 5. Измерительная платформа магнитометра: 1 – исследуемый образец, 2 – термопара, 3 – нагреватель, 4 – изолирующая подложка, 5 – латунный держатель.

Рисунок 6. Интерфейс управляющей программы Magnetometer.exe, окна Mesurements (cлева) и Magnetization and temperature (справа).

Программное обеспечение для автоматизации низкополевого магнитометра VKAF‑02 (рисунок 6) позволяет проводить измерения температурных зависимостей намагниченности в автоматическом режиме с высокой точностью поддержания скорости нагрева и охлаждения. Достигнута точность измерения магнитокалорического эффекта до 0,05 К [2]. 
 

Источники:

1. Дробосюк М.О. Магнитокалорический эффект в трёх- и четырёхкомпонентных сплавах Гейслера: диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. – Челябинск. – 2015. – 130 с.
2. Файзуллин Р.Р. Магнитокалорический эффект в многокомпонентных сплавах Гейслера: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. – Челябинск. – 2016. – 123 с.

Разработчик: Дробосюк М.О., Файзуллин Р.Р., Коледов В.В., Федий А.А.