Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 716-718

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе мы остановимся на нескольких устройствах, разработанных нашей научной группой и позволивших при исследовании быстропротекающих переходных процессов обеспечить необходимую точность получаемых экспериментальных данных.

НАМАГНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В МАГНЕТИКАХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ВРЕМЕНИ

Конструкция намагничивающего устройства (НУ) показана на рис. 1 [1]. Все его элементы размещены на основании из листового текстолита толщиной 10 мм. Основным элементом является полеобразующая полоска 1. Для уменьшения времени затухания вихревых токов полоска набрана из проволочек, последовательно с каждой из которых включено демпфирующее сопротивление r_add. Чтобы повысить пространственную однородность магнитного поля сопротивления резисторов ($r_{{add}}^{'}$ = 200 Ом), подключенных к каждой из четырех крайних проволочек (по две с каждой стороны полеобразующей пластины), выбраны меньше величины остальных 34 резисторов (r_add = = 270 Ом). Также в вырезе, сделанном в основании НУ, размещено 8 дополнительных резисторов (МЛТ-2), результирующее сопротивление которых (вместе с сопротивлениями демпфирующих резисторов и проволочек), равно волновому сопротивлению коаксиального кабеля K₁, по которому импульс тока поступает в НУ.

Измерения показали, что собственное время установления тока в рассматриваемом НУ равно 5.2 ± 0.5 нс. При использовании упомянутых выше источников импульсов тока с длительностью фронта ~3–7 нс можно получить импульсы магнитного поля с τ_f ~ 6–8 нс.

Наш опыт показывает, что применение проволочек с демпфирующими резисторами при надлежащем подборе их величин позволяет не только уменьшить до приемлемых значений время затухания вихревых токов (в отличие от намагничивающих устройств в виде отрезков полосковых линий [2]), но и повысить пространственную однородность магнитного поля.

При проведении эксперимента образец 2 помещается на столик 3, который может поворачиваться на угол ~20°. Таким образом достигается требуемая ориентация характерных направлений в образце (например, осей легкого намагничивания относительно направления магнитного поля).

Регистрация поведения намагниченности исследуемого образца осуществляется с помощью съемного витка 4. Важным элементом конструкции является вертикальный стержень 5 с помощью которого осуществляется настройка съемного витка на минимум индукционной помехи, наводимой в нем самим импульсным магнитным полем. По кабелю K₂ сигнал, считанный с исследуемого образца, поступает в канал регистрации.

При желании, для регистрации поведения намагниченности и, в частности, для наблюдения динамических доменов может быть использован магнитооптический эффект Керра. Рассматриваемая конструкция НУ удобна для размещения над ней соответствующих оптических элементов. В этом случае реализуется наиболее эффективный метод исследования физики переходных процессов, основанный на анализе поведения суммарного магнитного потока образца и изучении реальных механизмов намагничивания [3].

Настоящее намагничивающее устройство разработано конкретно для исследования особенностей импульсного перемагничивания пленок ферритов-гранатов с анизотропией типа “легкая плоскость” [4] и может быть использовано при исследовании процессов с минимальной длительностью τ ~ 30–50 нс. При импульсном перемагничивании известных магнитных материалов соответствующие скорости перемагничивания достигаются, если поле H_p ≥ 5–20 Э. В то же время, минимальное поле ${{H}_{{{{p}_{{min}}}}}},$ при котором еще возможно перемагничивание, для этих материалов близко к 1.5–2 Э, а время перемагничивания в полях H_p = = ${{H}_{{{{p}_{{min}}}}}}$ достигает 2–100 мкс. Таким образом, можно исследовать импульсное перемагничивание в довольно широких интервалах полей и длительностей, на которые, например, приходится существенная часть кривой импульсного перемагничивания и в пределах которых могут проявляться интересные механизмы импульсного перемагничивания [5]. Кроме того, данное устройство возможно использовать и при исследовании импульсного намагничивания пленок ферритов-гранатов с анизотропией типа “легкая плоскость” [6].

ОБОСТРИТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ НА СЕРИЙНОМ СИЛОВОМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДИОДЕ

Следующее разработанное нами устройство – обостритель импульсов на серийном силовом полупроводниковом диоде (типа 2Д203В) [6]. Здесь для формирования импульсов используется обостритель с лавинным пробоем полупроводниковых диодов [7]. Как было показано в [8], для формирования крутых перепадов напряжения (и тока) в ряде случаев можно воспользоваться серийными полупроводниковыми диодами. Схема формирования импульсов приведена на рис. 2а. Преобразуемый импульс по коаксиальному кабелю K₁ поступает к обостряющему диоду. Длительность фронта этого импульса ${{{\tau }}_{{{{f}_{1}}}}}$ равна 3 нс, его амплитуда может изменяться от 750 до 900 В. Для обеспечения достаточной надежности работы данной схемы длительность входного импульса не превышает 20 нс. Чтобы повысить амплитуду преобразованного импульса на диод подается смещающее напряжение E_sh, величина которого выбирается несколько меньшей напряжения статического пробоя диода. Преобразованный импульс выделяется в кабеле K₂.

Дифференцирующая RC-цепь образована конденсатором С и отрезками коаксиальных кабелей K₂ и K₃. По последнему сформированный короткий импульс поступает к перемагничивающему устройству. Для уменьшения постоянной времени RC-цепи параллельно кабелю K₃ может быть подключено дополнительное сопротивление R_add (с номиналом от 50 до 200 Ом).

При изменении емкости конденсатора C в пределах от 3 до 9 пФ длительность импульса на выходе кабеля K₃ изменяется от 0.5 до 1.5 нс. В качестве примера на рис. 2б приведена осциллограмма импульса тока с амплитудой I_A = 5 А, полученного при С = 4.7 пФ. Видно, что длительность импульса тока (на уровне 0.5I_A) близка к 0.8 нс. Длительность фронта импульса не превышает 0.3 нс.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим некоторые результаты, полученных при помощи вышеописанных устройств.

На рис. 3 приведен пример осциллограммы, полученной при помощи обострителя импульсов на серийном силовом полупроводниковом диоде (а также при помощи вышеописанного намагничивающего устройства) и отражающей свободные колебания намагниченности пленки феррита-граната с анизотропией типа “легкая плоскость” [6]. Сигнал получен для пленки со следующими данными: состав – (LuBi)₃(FeGa)₅O₁₂, толщина – 4 мкм, намагниченность насыщения M_S = 16 Гс, эффективное поле плоскостной анизотропии ${{H}_{{{{K}_{P}}}}}$ = 1160 Э, эффективное поле двухосной анизотропии ${{H}_{{{{K}_{2}}}}}$ = 62 Э, постоянная затухания Ландау–Лифшица λ = 4.5 · 10⁶ Гц. Исходное состояние насыщения достигалось с помощью установочного магнитного поля H_S (=10 Э), прикладываемого в плоскости пленки вдоль одной из осей легкого намагничивания. Импульс инициирующего магнитного поля с длительностью τ_I ≈ 0.8 нс и амплитудой Н_I = 7 Э прикладывался вдоль другой оси (перпендикулярной первой). Видно, что в течение примерно первых двух периодов наблюдается некоторая “непериодичность”, связанная с влиянием самого инициирующего импульса.

Для последующих периодов наблюдается монотонный спад амплитуды колебаний и изменение сигнала может быть представлено простой аппроксимирующей функцией:

где за начало отсчета времени принимается момент, когда напряжение сигнала достигает первого регистрируемого максимального значения A₁ (см. рис. 6 ), δ – коэффициент затухания свободных колебаний. Согласно работе [11 ] ,

Используя известную зависимость частоты колебаний от установочного поля H_S, можно определить значения эффективных поле двухосной ${{H}_{{{{K}_{2}}}}}$ [9] и плоскостной ${{H}_{{{{K}_{P}}}}}$ [10] анизотропий. Постоянная затухания определяется с помощью выражений (1) и (2). Очевидно, что обсуждаемый метод формирования инициирующего импульса применим и к исследованию свободных колебаний в других пленочных материалах с разными типами анизотропий, в которых частота колебаний не превышает 1.5–2 ГГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные выше устройства, разработанные нашей научной группой, позволяют в значительной мере увеличить временной диапазон исследуемых переходных процессов в магнетиках, имеющих форму пластин или плоских пленок (пленок ферритов-гранатов с анизотропией типа “легкая плоскость”, монокристаллов бората железа и др.), а также обеспечить необходимую для однозначной интерпретации получаемых результатов точность и достоверность.