Установка для исследования характеристик магнитоакустических резонаторов

Установка для исследования характеристик магнитоакустических резонаторов

Отрасли, категории, применение: Медицина и биотехнологии

Краткое описание:

В статье представлены структурная схема и описание работы экспериментальной установки для исследования характеристик магнитоакустических резонаторов из монокристалла гематита. Изучен механизм возникновения разрывов на экспериментальной зависимости частоты дискового резонатора от напряженности магнитного поля. В программном пакете «COMSOL Multiphysics» построена модель для расчета спектра частот контурно-сдвиговых колебаний резонатора и указан способ устранения разрывов его спектра во всем диапазоне управления резонансной частотой.

Организация

1. МГТУ МИРЭА
2. НЦВИ ИОФ РАН им. А.М. Прохорова
3. IEMN CNRS 8520, Ecole Centrale de Lille B.P, France.
4. СГУ им. Чернышевского

Постановка задачи

Интерес к магнитоакустическим резонаторам на основе антиферромагнитных кристаллов типа «легкая плоскость», к которым относятся борат железа (FeBO3) и гематит (?-Fe2O3), связан с возможностью широкодиапазонной перестройки (около 40%) их резонансной частоты при изменении внешнего магнитного поля [1]. Практическое применение таких резонаторов осложняется наличием разрывов на зависимости их частоты от напряженности магнитного поля. В работе [2] исследовано расщепление магнитоакустических спектров мод монокристаллического резонатора FeBO3. В настоящей работе изучен механизм возникновения разрывов в спектре контурно-сдвиговой моды колебаний дискового резонатора из монокристалла гематита, обладающей предельно сильной магнитоупругой связью, и указан способ устранения разрывов ее спектра.

Используемое оборудование и программное обеспечение

Для реализации установки использованы генератор Tektronix AFG3102, осциллограф Tektronix DPO4032, программируемый источник питания GW Instek PSH6006 и устройство сбора данных NI USB-6211. Программное обеспечение разработано в среде программирования LabVIEW 2010.

Решение

Экспериментальные исследования характеристик магнитоакустического резонатора проводились на экспериментальной установке, структурная схема которой показана на рис.1. Магнитоакустический резонатор из гематита представляет собой тонкий диск диаметром 4,95 мм и толщиной 0,39 мм, плоскость которого перпендикулярна кристаллографической оси третьего порядка C3 монокристалла. Резонатор (1) свободно размещается на плоском основании прямоугольной рамки, закрепленной между полюсами электромагнита (2). Постоянное магнитное поле направлено в плоскости диска параллельно кристаллографической оси второго порядка U2 гематита. Благодаря сильной связи магнитной и упругой подсистем монокристалла гематита возбуждение и регистрация акустических колебаний осуществляется с помощью электрических катушек (3) и (4), намотанных тонким медным проводом на рамке с образцом. Оси катушек ориентированы взаимно ортогонально друг к другу и под углом 450 относительно вектора постоянного магнитного поля. На катушку возбуждения (3) подается электрический сигнал от генератора (5), а с регистрирующей катушки (4) электрические колебания поступают на широкополосный усилитель (6), детектор (7) и осциллограф (8).

При проведении измерений генератор работает в режиме качания частоты в окрестности собственной частоты магнитоакустического резонатора и синхронизируется с горизонтальной разверткой осциллографа. В результате на экране осциллографа регистрируется амплитудно-частотная характеристика резонатора. Величина напряженности постоянного магнитного поля регулируется с помощью источника питания (9) и измеряется датчиком Холла (10), подключенным к модулю АЦП (11). Генератор, осциллограф, модуль АЦП и источник питания подключены к персональному компьютеру (12). Управление режимами работы установки, а также считывание измерительной информации в персональный компьютер и ее последующая обработка осуществляются с помощью программного обеспечения, разработанного в среде LabVIEW.

На рис. 2 кружками представлены экспериментальные, а сплошными линиями – рассчитанные в пакете «COMSOL Multiphysics» полевые зависимости резонансной частоты контурно-сдвиговой (кривые 1 и 2) и изгибной (кривая 3) мод колебаний в диапазоне полей от 30 Э до 1000 Э.

В интервале напряженности магнитного поля от 180 Э до 340 Э на экспериментальной зависимости видны разрывы, а расчетные графики контурно-сдвиговой и изгибной мод пересекаются. Взаимодействие этих мод приводит к разрыву полевой зависимости контурно-сдвиговой моды и заметному искажению структуры ее колебаний (см. вставки на рис. 1). Для сравнения в прямоугольной рамке на рис. 1 показано изображение структуры деформаций моды контурно-сдвиговых колебаний для напряженности магнитного поля 30 кЭ, при которой магнитная подсистема практически «заморожена» и не влияет на акустические характеристики кристалла.

На рис. 3 приведены результаты расчета полевых зависимостей резонансной частоты контурно-сдвиговой моды (кривая 1) и изгибной моды (кривая 2) для толщины диска, уменьшенной до 0,29 мм. Видно, что при такой толщине диска резонансные кривые мод не пересекаются и спектр контурно-сдвиговой моды во всем рассчитанном диапазоне полей не имеет разрывов.

Из приведенных данных видно хорошее согласие результатов моделирования и эксперимента, что подтверждает возможность использования представленной модели для оптимизации характеристик магнитоакустических резонаторов. Установлено, что причиной возникновения разрывов на полевой зависимости частоты резонатора является пересечение спектров контурно-сдвиговой и изгибной мод при изменениях магнитного поля. Выбором соотношения диаметра и толщины резонатора можно исключить пересечение спектров мод его колебаний и устранить разрывы на полевой зависимости частоты контурно-сдвиговой моды во всем диапазоне управления резонансной частотой.

Перспективы внедрения и развития решения

Разработанная установка используется в лаборатории Научного центра волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук при исследовании резонансных явлений в магнитоупорядоченных материалах.

Список литературы

Ожогин В. И., Преображенский В. Л. Ангармонизм смешанных мод и гигантская акустическая нелинейность антиферромагнетиков// УФН. 1988. Т. 155. № 4. С. 593-621.
Skibinsky K. M., Strugatsky M. B., Yagypov M. B., Berzansky V. N., Yevstaf'ev A. I., Preobrazensky V. L. // Functional Materials. 2014. Vol. 21. № 1. P. 59-63.

 

 

 

Решения опубликованы на основании докладов из сборников трудов ежегодной конференции "Инженерные , научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments" с 2011 по 2014 гг.



 

© 2017 National Instruments Russia. All rights reserved.
Яндекс.Метрика