1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 124, № 11, 2023

Физика металлов и металловедение, 2023, T. 124, № 11, стр. 1025-1043

Современные бесконтактные оптические методы измерения магнитокалорического эффекта

А. П. Каманцев a, *, А. А. Амиров b, Д. М. Юсупов b, Л. Н. Бутвина c, Ю. С. Кошкидько d, А. В. Головчан a, e, В. И. Вальков e, А. М. Алиев b, В. В. Коледов a, В. Г. Шавров a

a Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
125009 Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7, Россия

b Институт физики им. Х.И. Амирханова ДФИЦ РАН
367003 Махачкала, ул. М. Ярагского, 94, Россия

c Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова
119333 Москва, ул. Вавилова, 38, Россия

d Институт низких температур и структурных исследований им. В. Тшебятовского ПАН
50-422 Вроцлав, ул. Окульна, 2, Польша

e Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина
283048 Донецк, ул. Р. Люксембург, 72, Россия

* E-mail: kaman4@gmail.com

Поступила в редакцию 18.06.2023
После доработки 09.08.2023
Принята к публикации 14.08.2023

Аннотация

Большой проблемой в магнитных и, в частности, магнитокалорических исследованиях является точное измерение температуры материалов, особенно в сильных импульсных и переменных магнитных полях. Недостатками используемых контактных датчиков температуры (микротермопар и пленочных терморезисторов) являются: (1) влияние электромагнитных помех на их показания, пропорциональное производной магнитного поля по времени, (2) их относительно длительное время отклика из-за тепловой инерции, (3) невозможность точного измерения температуры тонких и микроструктурированных образцов. Описанных трудностей можно избежать, используя бесконтактные оптические методы измерения температуры магнетиков в сильных магнитных полях. В настоящем обзоре дается описание современных бесконтактных оптических методов измерения магнитокалорического эффекта на примере известных материалов, приводится сравнительный анализ основных характеристик данных методов, таких как: максимальное магнитное поле, частота дискретизации, постоянная времени и спектральный диапазон детектора, погрешность и разрешение по температуре.

Ключевые слова: магнитокалорический эффект, бесконтактное измерение температуры, оптические методы, сильные магнитные поля, магнитоструктурные фазовые переходы

Список литературы

  1. Кольм Г., Фриман А. Сильные магнитные поля // УФН. 1966. Т. 88. № 4. С. 703–723.

  2. Вонсовский С.В. Ферромагнетизм как проблема упорядочения // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1947. Т. 11. С. 485.

  3. Гинзбург В.А. О поведении ферромагнетиков вблизи точки Кюри // ЖЭТФ. 1947. Т. 17. С. 833–836.

  4. Néel L. Proprietes magnetiques des ferrites-ferrimagnetisme et antiferromagnetisme // Ann. Phys. 1948. V. 3. № 2. P. 137–198.

  5. Bean C.P., Rodbell D.S. Magnetic disorder as a first-order phase transformation // Phys. Rev. 1962. V. 126. № 1. P. 104–115.

  6. Белов К.П. Магнитные превращения. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. 260 с.

  7. Мушников Н.В. Магнетизм и магнитные фазовые переходы: учебное пособие. Екб.: Изд-во Урал. ун-та, 2017. 168 с.

  8. Moya X., Kar-Narayan S., Mathur N.D. Caloric materials near ferroic phase transitions // Nature Mater. 2014. V. 13. № 5. P. 439–450.

  9. Tishin A.M., Spichkin Y.I. The magnetocaloric effect and its applications // Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia. 2003. 480 p.

  10. Franco V., Blázquez J.S., Ipus J.J., Law J.Y., Moreno-Ramírez L.M., Conde A. Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices // Prog. Mater. Sci. 2018. V. 93. P. 112–232.

  11. Соколовский В.В., Мирошкина О.Н., Бучельников В.Д., Марченков В.В. Магнитокалорический эффект в металлах и сплавах // ФММ. 2022. Т. 123. № 4. С. 339–343.

  12. Levitin R.Z., Snegireva V.V., Kopylov A.V., Lagutin A.S., Gerber A. Magnetic method of magnetocaloric effect determination in high pulsed magnetic fields // J. Magn. Magn. Mater. 1997. V. 170. № 1. P. 223–227.

  13. Dan’kov S.Yu., Tishin A.M., Pecharsky V.K., Gschneidner Jr. K.A. Magnetic phase transitions and the magnetothermal properties of gadolinium // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. № 6. P. 3478–3490.

  14. Marioni M.A., O’Handley R.C., Allen S.M. Pulsed magnetic field-induced actuation of Ni–Mn–Ga single crystals // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. № 19. P. 3966–3968.

  15. Kohama Y., Jaime M., Marcenat C., Klein T. AC measurement of heat capacity and magnetocaloric effect for pulsed magnetic fields // Rev. Sci. Instrum. 2010. V. 81. № 10. P. 104902.

  16. Kihara T., Katakura I., Tokunaga M., Matsuo A., Kawaguchi K., Kondo A., Kindo K., Ito W., Xu X., Kainuma R. Optical imaging and magnetocaloric effect measurements in pulsed high magnetic fields and their application to Ni–Co–Mn–In Heusler alloy // J. Alloy. Comp. 2013. V. 577. P. S722–S725.

  17. Kihara T., Kohama Y., Hashimoto Y., Katsumoto S., Tokunaga M. Adiabatic measurements of magneto-caloric effects in pulsed high magnetic fields up to 55 T // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. № 7. P. 074901.

  18. Gottschall T., Skourski Y., Zavareh M.G., Wosnitza J., Kuz’min M.D., Skokov K.P., Fries M., Gutfleisch O., Schlagel D.L., Mudryk Y., Pecharsky V. Magnetocaloric effect of gadolinium in high magnetic fields // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. № 13. P. 134429.

  19. Kihara T., Tokunaga M., Xu X., Kainuma R., Ito W. Direct measurements of inverse magnetocaloric effects in metamagnetic shape-memory alloy N–CoMnIn // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. № 21. P. 214409.

  20. Nayak A.K., Mejia C.S., D’Souza S.W., Chadov S., Felser C., Nicklas M., Skourski Y. Large field-induced irreversibility in Ni–Mn based Heusler shape-memory alloys: A pulsed magnetic field study // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. № 22. P. 220408.

  21. Zavareh M.G., Skourski Y., Wosnitza J., Salazar Mejía C., Nayak A.K., Felser C., Nicklas M. Direct measurements of the magnetocaloric effect in pulsed magnetic fields: The example of the Heusler alloy Ni50Mn35In15 // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. № 7. P. 071904.

  22. Salazar Mejía C.S., Nayak A.K., Felser C., Nicklas M., Ghorbani Zavareh M., Skourski Y., Wosnitza J. Pulsed high-magnetic-field experiments: New insights into the magnetocaloric effect in Ni–Mn–In Heusler alloys // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. № 17. P. 17E710.

  23. Gottschall T., Skokov K.P., Gutfleisch O., Scheibel F., Acet M., Farle M., Zavareh M.G., Skourski Y., Wosnitza J. Dynamical Effects of the Martensitic Transition in Magnetocaloric Heusler Alloys from Direct ΔTad Measurements under Different Magnetic-Field-Sweep Rates // Phys. Rev. Appl. 2016. V. 5. № 2. P. 024013.

  24. Zavareh M.G., Skourski Y., Zvyagina L., Wosnitza J., Skokov K.P., Karpenkov D.Y., Gutfleisch O., Waske A., Haskel D., Zhernenkov M. Direct Measurement of the Magnetocaloric Effect in La(Fe,Si,Co)13 Compounds in Pulsed Magnetic Fields // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 8. № 1. P. 014037.

  25. Gottschall T., Kuz’min M.D., Skokov K.P., Skourski Y., Fries M., Gutfleisch O., Ghorbani Zavareh M., Schlagel D.L., Mudryk Y., Pecharsky V., Wosnitza J. Magnetocaloric effect of gadolinium in high magnetic fields // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. P. 134429.

  26. Каманцев А.П., Амиров А.А., Кошкидько Ю.С., Салазар Мехиа К., Маширов А.В., Алиев А.М., Коледов В.В., Шавров В.Г. Магнитокалорический эффект в сплаве Fe49Rh51 в импульсных магнитных полях до 50 T // ФТТ. 2020. Т. 62. № 1. С. 117–120.

  27. Koshkid’ko Y.S., Cwik J., Rogacki K., Dilmieva E.T., Kamantsev A.P., Mashirov A.V., Shavrov V.G., Koledov V.V., Khovaylo V.V., Mejia C.S., Zagrebin M.A., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D., Ari-Gur P., Bhale P. Magnetocaloric effect and magnetic phase diagram of Ni–Mn–Ga Heusler alloy in steady and pulsed magnetic fields // J. Alloy. Comp. 2022. V. 904. P. 164051.

  28. Salazar Mejía C., Niehoff T., Straßheim M., Bykov E., Skourski Y., Wosnitza J., Gottschall T. On the high-field characterization of magnetocaloric materials using pulsed magnetic fields // J. Phys. Energy. 2023. V. 5. P. 034 006.

  29. Лоско К., Метте Г. Погрешности термопар при измерении температуры в магнитных полях / Измерение температур и объектах новой техники // Мир, М. 1965. С. 29–36.

  30. Sample H.H., Neuringer L.J., Rubin L.G. Low temperature thermometry in high-magnetic fields. III Carbon resistors (0.5–4.2 K); thermocouples // Rev. Sci. Instrum. 1974. V. 45. № 1. P. 64–73.

  31. McDonald D.W. Temperature measurement error due to the effects of time varying magnetic fields on thermocouples with ferromagnetic thermoelements // Rev. Sci. Instrum. 1977. V. 48. № 8. P. 1106–1107.

  32. Kollie T.G. Thermocouple errors due to magnetic field // Rev. Sci. Instrum. 1977. V. 48. № 5. P. 501–511.

  33. Shir F., Mavriplis C., Bennett L.H. Effect of magnetic field dynamics on the copper-constantan thermocouple performance // Instrum. Sci. Technol. 2005. V. 33. № 6. P. 661–671.

  34. Bourg M.E., Van der Veer W.E., Grüell A.G., Penner R.M. Electrodeposited submicron thermocouples with microsecond response times // Nano Lett. 2007. V. 7. № 10. P. 3208–3213.

  35. Cugini F., Porcari G., Solzi M. Non-contact direct measurement of the magnetocaloric effect in thin samples // Rev. Sci. Instrum. 2014. V. 85. № 7. P. 074 902.

  36. Cugini F., Porcari G., Viappiani C., Caron L., dos Santos A.O., Cardoso L.P., Passamani E.C., Proveti J.R.C., Gama S., Brück E., Solzi M. Millisecond direct measurement of the magnetocaloric effect of a Fe2P-based compound by the mirage effect // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. № 1. P. 012 407.

  37. Cugini F., Orsi D., Bruck E., Solzi M. Direct measurement of the magnetocaloric effect on micrometric Ni–Mn–(In, Sn) ribbons by the mirage effect under pulsed magnetic field // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 113. № 13. P. 232 405.

  38. Amirov A.A., Kamantsev A.P., Aliev A.M., Cugini F., Solzi M., Koledov V.V., Shavrov V.G., Gottschall T., Spichkin Yu.I. Direct measurements of the magnetocaloric effect of Fe49Rh51 using the mirage effect // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. № 23. P. 233905.

  39. Christensen D.V., Bjørk R., Nielsen K.K., Bahl C.R.H., Smith A., Clausen S. Spatially resolved measurements of the magnetocaloric effect and the local magnetic field using thermography // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. № 6. P. 063913.

  40. Hirayama Y., Iguchi R., Miao X.F., Hono K., Uchida K.I. High-throughput direct measurement of magnetocaloric effect based on lock-in thermography technique // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. № 16. P. 163901.

  41. Pereira M.J., Santos T., Correia R., Amaral J., Amaral V.S., Fabbrici S., Albertini F. Direct measurement and imaging of magnetocaloric effect inhomogeneities at the microscale in Ni44Co6Mn30Ga20 with infrared thermography // J. Magn. Magn. Mater. 2021. V. 538. P. 168 283.

  42. Pereira M.J., Santos T., Correia R., Amaral J., Amaral V.S., Fabbrici S., Albertini F. Mapping the magnetocaloric effect at the microscale on a ferromagnetic shape memory alloy with infrared thermography // J. Phys.: Mater. 2023. V. 6. № 2. P. 024 002.

  43. Döntgen J., Rudolph J., Gottschall T., Gutfleisch O., Salomon S., Ludwig A., Hägele D. Temperature dependent low-field measurements of the magnetocaloric ΔT with sub-mK resolution in small volume and thin film samples // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. № 3. P. 032 408.

  44. Döntgen J., Rudolph J., Waske A., Hägele D. Modulation infrared thermometry of caloric effects at up to kHz frequencies // Rev. Sci. Instrum. 2018. V. 89. № 3. P. 033 909.

  45. Döntgen J., Rudolph J., Gottschall T., Gutfleisch O., Hägele D. Millisecond dynamics of the magnetocaloric effect in a first-and second-order phase transition material // Energy Technol. 2018. V. 6. № 8. P. 1470–1477.

  46. Kamantsev A.P., Koledov V.V., Mashirov A.V., Shavrov V.G., Yen N.H., Thanh P.T., Quang V.M., Dan N.H., Los A.S., Gilewski A., Tereshina I.S., Butvina L.N. Measurement of magnetocaloric effect in pulsed magnetic fields with the help of infrared fiber optical temperature sensor // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 440. P. 70–73.

  47. Каманцев А.П., Коледов В.В., Шавров В.Г., Бутвина Л.Н., Головчан А.В., Сиваченко А.П., Тодрис Б.М., Вальков В.И., Кошелев А.В., Шандрюк Г.А. Магнитокалорический эффект и намагниченность композитного материала на основе MnAs в импульсных магнитных полях до 40 кЭ // Челябинский физико-математический журнал. 2020. Т. 5. № 4. С. 537–544.

  48. Каманцев А.П., Коледов В.В., Шавров В.Г., Бутвина Л.Н., Головчан А.В., Вальков В.И., Тодрис Б.М., Таскаев С.В. Магнитокалорический эффект и намагниченность гадолиния в квазистационарных и импульсных магнитных полях до 40 кЭ // ФММ. 2022. Т. 123. № 4. С. 448–452.

  49. Butvina L. Polycrystalline fibers. Chapter 6. Infrared fiber optics // CRC press, Cop. 1998. P. 209–249.

  50. Butvina L.N., Kolesnikov Y.G., Prokashev V.A. Crystalline fibres for the IR region // Soviet lightwave communications. 1991. V. 1. № 1. P. 65–70.

  51. Butvina L.N., Sereda O.V., Dianov E.M., Lichkova N.V., Zagorodnev V.N. Single-mode microstructured optical fiber for the middle infrared // Optics letters. 2007. V. 32. № 4. P. 334–336.

  52. Бутвина А.Л., Бутвина Л.Н., Охримчук А.Г. Одномодовые экструзионные поликристаллические световоды галогенидов серебра с потерями меньше 1 дБ/м для СО2 лазера // Прикладная фотоника. 2020. Т. 7. № 4. С. 61–75.

  53. Пилюшко С.М., Умнов В.О., Зараменских К.С., Кузнецов М.С., Бутвина Л.Н., Полякова Г.В., Морозов М.В., Демина А.Ю. Технология производства оптического волокна ИК-диапазона из галогенидов серебра и таллия и его применение в промышленности // Оптические технологии, материалы и системы. Сборник докладов Международной научно-технической конференции ИПТИП РТУ МИРЭА. 2022. С. 234–239.

  54. Рогальский А. Инфракрасные детекторы // Наука, Новосибирск. 2003. 636 с.

  55. Пономаренко В.П. Теллурид кадмия–ртути и новое поколение приборов инфракрасной фотоэлектроники // УФН. 2003. Т. 173. № 6. С. 649–665.

  56. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. 384 с.

  57. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. Волоконно-оптические датчики. Ленинград: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.

  58. Алексеев Н.Г., Прохоров В.А., Чмутов К.В. Современные электронные приборы и схемы в физико-химическом исследовании. М.: Химия, 1971. 496 с.

  59. Пономаренко В.П. Квантовая фотосенсорика. М.: НПО Орион, 2018. 647 с.

  60. Brück E., Tegus O., Thanh C.D.T., Trung N.T., Buschow K.H.J. A review on Mn based materials for magnetic refrigeration: Structure and properties // Inter. J. Refrig. 2008. V. 31. № 5. P. 763–770.

  61. Koshkid’ko Y.S., Cwik J., Rogacki K., Kowalska D., Dilmieva E.T., Kamantsev A.P., Koledov V.V., Mashirov A.V., Shavrov V.G., Valkov V.I., Golovchan A.V., Sivachenko A.P., Shevyrtalov S.N., Rodionova V.V., Shchetinin I.V., Sampath V. Giant reversible adiabatic temperature change and isothermal heat transfer of MnAs single crystals studied by direct method in high magnetic fields // J. Alloy. Comp. 2019. V. 798. P. 810–819.

  62. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел универсал, 2002. 87 с.

  63. Lhéritier P., Nouchokgwe Y., Kovacova V., Torelló À., Defay E., Hong C.-H., Jo W. Measuring lead scandium tantalate phase transition entropy by infrared camera // J. Europ. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 14. P. 7000–7004.

  64. Morozov E., Kuznetsov D., Kalashnikov V., Victor K., Shavrov V. Thermoelastic properties and elastocaloric effect in rapidly quenched ribbons of Ti2NiCu alloy in the amorphous and crystalline state // Crystals. 2021. V. 11. № 8. P. 949.

  65. Каманцев А.П., Амиров А.А., Юсупов Д.М., Головчан А.В., Ковалёв О.Е., Комлев А.С., Алиев А.М. Магнитокалорический эффект в композитах на основе La(Fe,Mn,Si)13Hx: эксперимент и теория // ФММ. 2023. Т. 124. № 11. С. 1074–1085.

  66. Kuo P.K., Lin M.J., Reyes C.B., Favro L.D., Thomas R.L., Kim D.S., Zhang S., Inglehart L.J., Fournier D., Boccara A.C., Yacoubi N. Mirage-effect measurement of thermal diffusivity. Part I: experiment // Can. J. Phys. 1986. V. 64. № 9. P. 1165–1167.

  67. Boccara C., Fournier D., Badoz J. Thermo-optical spectroscopy: Detection by the “mirage effect” // Appl. Phys. Lett. 1980. V. 36. № 2. P. 130–132.

  68. Скворцов Л.А. Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии. М.: Техносфера, 2019. 220 с.

  69. Kamantsev A.P., Amirov A.A., Zaporozhets V.D., Gribanov I.F., Golovchan A.V., Valkov V.I., Pavlukhina O.O., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D., Aliev A.M., Koledov V.V. Effect of Magnetic Field and Hydrostatic Pressure on Metamagnetic Isostructural Phase Transition and Multicaloric Response of Fe49Rh51 Alloy // Metals. 2023. V. 13. № 5. P. 956.

  70. Bonadio T.G., Pezarini R.R., Medina A.N., Zanuto V.S., Baesso M.L., Montanher D.Z., Astrath N.G. Thermoelastic properties across martensitic transformation of Ni2MnGa Heusler alloy from time-resolved photothermal mirror // Phys. B: Cond. Matt. 2021. V. 605. P. 412 713.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал