Нелинейная динамика доменной структуры и магнитные потери магнитомягких материалов в линейно-поляризованных и вращающихся магнитных полях

1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .........................................5
ГЛАВА I МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИ ТНЫХ ПОТЕРЬ ОБРАЗЦОВ В ЛИНЕЙНО- ПОЛЯРИЗОВАННЫХ
ПОЛЯХ................................................................15
!. 1 Метод многокадровой регистрации динамической доменной
структуры на единичных циклах персмагничивания.......................16
1.2 Система синхронизации...............................................21
1.3 Обработка фотографий доменной структуры и ошибки измерений..........27
1.4 Методы измерения магнитных потерь образцов Ее-3%Б1 в
линейно-гюляризовапных магнитных полях...............................28
1.4.1 Ватгметровый метод измерения полных магнитных потерь................28
1.4.2 Осциллографический метод измерения полных магнитных потерь..........31
1.4.3 Измерение гнстерезисных потерь......................................33
1.5 Выводы..............................................................35
ГЛАВА 2 ПОВЕДЕНИЕ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ И МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ
ОБРАЗЦОВ ПРИ СИНУСОИДАЛЬНОМ ИЗМЕНЕНИИ ИНДУКЦИИ 36
2.1 Связь магнитных потерь с доменной структурой (литературные данные)
Основные представления о составляющих магнитных отерь...............36
2.2 Расчеты потерь на вихревые токи с учетом доменной структуры.........38
2.3 Связь магнитных потерь с размером доменов
(экспериментальные исследования)....................................41
2.3.1 Особенности динамического поведения доменной структуры
(экспериментальные данные)..........................................43
2.4 О характере движения доменных границ в переменных
магнитных полях (литературные данные)...............................47
2.5 Особенности смещения 180- градусных доменных границ.................49
2.6 Об однородности амплитуд смещения границ............................55
2.7 Зависимость поведения доменной структуры от индукции и частоты
перемагничивания....................................................56
2.8 О скоростях смещения доменных границ................................60
2.9 Влияние условий замыкания магнитного потока образца на поведение
доменной структуры...................................................61
2.10 Поведение доменных границ в отдельных кристаллитах
поликристаллических образцов Ее-3% Б1................................64
2.11 О скачкообразном движении доменных границ образцов
в зависимости от условий их еремагничивания..........................66
2.12 Выводы...............................................................73
ГЛАВА 3 ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ДОМЕ11ИОЙ СТРУКТУРЫ
ПРИ ВЫСОКИХ АМПЛИТУДАХ ИНДУКЦИИ......................................75
3.1 Особенности процессов перемагничивания в области больших
амплитуд индукции....................................................75
3.2 Зависимость поведения ДГ от амплитуды индукции и частоты перемагничивания.........................................................79
3.3 Влияние степени несовершенства кристаллической структуры
образцов на поведение доменной структуры.............................83
3.4 Поведение зародышей перемагничивания
в монокристаллах Ее-3% Б1............................................90
3.4.1 Динамика роста зародышей при циклическом изменении поля.............90
3.4.2 Зависимость поведения зародышей перемагничивания
от амплитуды индукции................................................94
3.4.3 О скорости роста зародышей перемагничивания......................... 97
3.5 Выводы..............................................................................99
ГЛАВА 4 СВЯЗЬ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ С ПОВЕДЕНИЕМ ДОМЕННОЙ
СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ Ее-3% ...................................101
4.1 Зависимость магнитных потерь от частоты перемагничивания............101
4.2 Влияние дробления доменной структуры на поведение
вихретоковых потерь................................................ 102
4.3 Влияние изгиба доменных границ на вихретоковые потери
(литературные данные)...............................................103
4.4 Динамический изгиб доменных границ и магнитные потери.............. 107
4.5 Зависимость магнитных потерь от амплитуды индукции..................110
4.6 Влияние процессов формирования доменной структуры на вихретоковые потери.....................................................118
4.7 Выводы..............................................................120
3
ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛОВ Fe-3% Si НА МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ И ДОМЕННУЮ СТРУКТУРУ 5.1. (Экспериментальные данные)........................................121
5.2 Изменение динамики доменной структуры при утонении образцов........125
5.3 Изменение магнитных потерь от толщины образцов.....................131
5.4 Выводы.............................................................1^7
ГЛАВА 6 О ХАРАКТЕРЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И
МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ ОБРАЗЦОВ, ПЕРЕМАГНИЧИВАЕМЫХ ПОД УГЛОМ К ОСИ ЛЕГКОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ
6.1 (Литературные данные)..............................................140
6.2 Динамика доменной структуры кристаллов Fe-3%Si в поле, направленном непараллельно ОЛН..........................................145
6.3 Анизотропия динамической магнитострикции железокремнистых
сплавов............................................................153
6.4 Поведение магнитных потерь.........................................157
6.5 Динамика доменной структуры и магнитные потери
бикристаллов Fe-3% Si............................................. 162
6.6 Влияние ориентационных параметров монокристаллов Fe-3%Si
на доменную структуру и магнитные потери...........................166
6.7 Разориентация намагниченности кристаллитов анизотропной стали
и магнитные потери.................................................174
6. Я Выводы.............................................................178
ГЛАВА 7 ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ КРИСТАЛЛОВ
Fe-3%Si ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ.............................180
7.1 (Теория магнитных потерь на вращательное пере.магничивание)........180
7.2 О связи магнитных потерь с видом доменной структуры во
вращающихся магнитных полях........................................186
7.3 Измерение магнитных потерь образцов Fe-3%Si на вращательное
перемагничивание.................................................. 190
7.4 Регистрация доменной структуры монокристаллов во вращающихся
магнитных полях....................................................195
7.5 Поведение доменной структуры монокристаллов во вращающихся
магнитных полях....................................................198
7.6 Характер смещения 180- градусных границ............................208
7.7 Особенности перестройки замыкающей доменной структуры..............220
4
7.8 Влияние ориентации поверхности кристаллов Ре-3%81 на динамику
доменной структуры и магнитные потери.................................233
7.9. Зависимость динамики доменной структуры от размерных
параметров кристаллов Ре-3%81.........................................243
7.10 Особенности изменения магнитных потерь при утонении образцов 251
7.11 Влияние термомагнитной обработки на магнитные потери монокристаллов во вращающихся магнитных полях........................ 262
7.12 Выводы................................................................270
Заключение и выводы...................................................272
Приложение............................................................275
Литература............................................................278
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы обусловлена важной ролыо динамики доменной структуры (ДС) в формировании магнитных характеристик магнитомягких материалов в переменных магнитных полях [1-4]. В настоящее время магнитомягкие материалы на основе железа (сплавы железа с 1,5-4,0 % кремния или электротехнические стали) широко используются для изготовления магнитных сердечников всевозможных электрических устройств: трансформаторов, генераторов, электродвигателей. Многообразие применения этих
сплавов обусловлено весьма удачным сочетанием их высоких магнитных свойств с
\
относительно низкой себестоимостью. Учитывая колоссальные объемы производства электротехнических сталей, исчисляемые десятками миллионов тонн, нетрудно видеть, что проблема улучшения их качества, и в первую очередь, снижения уровня магнитных потерь на перемагничинание, представляет важнейшую практическую задачу.
Железокремнистые сплавы в плоскости (110) 10011 имеют простую 180-градусную доменную структуру, которая представляет весьма удобный объект для построения различных моделей, описывающих се изменение от ориентационных, размерных параметров образцов и от условий их перемагничивания в линейно- поляризованных магнитных полях. Данными вопросами моделирования занимались, в частности, Вильямс, Шокли, Китель которые показали [7], что мощность вихретоковых потерь ферромагнетика, обусловленных движением его 180- градусной доменной границы, почти в 3 раза выше их значений без учета ДС. По суги дела, эта работа превратила сугубо прикладную задачу о магнитных потерях ферромагнетиков, в глубоко научную, и стимулировала появление новых теоретических исследований по данному вопросу. Позднее, Праю и Бину [8] удалось рассчитать соотношение между величиной магнитных потерь ферромагнетиков и размерными параметрами полосовой доменной структуры с большим числом 180-градусных границ. Фактически в этих работах были установлены основополагающие представления о важной роли ДС в формировании магнитных свойств магннтомягких материалов в переменных магнитных полях. Эти работы инициировали появление значительного числа экспериментальных исследований по проверке данных расчетов при различных условиях перемагничивания образцов железокремнистых сплавов. Были выявлены новые особенности поведения ДС в переменных магнитных полях, ранее не наблюдаемые при квазистатическом иеремагничивании образцов: 1) обнаружено явление динамического дробления доменной структуры, связанное с ростом числа 180-градусных доменных границ образцов по мере увеличения как амплитуды индукции, так и
частоты персмагничивания; 2) установлен изгиб 180- градусных границ по сечению образца; 3) выявлен дрейф доменной структуры, проявляющийся поступательном движении всех 180- градусных границ в определенном направлении на поверхности образца. Сведения о динамике доменной структуры железокремнистых сплавов до недавнего времени были получены лишь при невысоких амплитудах индукции. Однако, даже в этом простейшем случае, многие особенности поведения доменных границ до конца не выявлены. Из-за отсутствия этих данных, до сих пор не понятны причины, как нелинейного частотного хода вихретоковых потерь, так и несоответствия измеренных значений вихретоковых потерь их вычисленной величине для плоских 180- градусных границ. Эта разница в потерях, получившая название “аномальных или дополнительных потерь”, в современных анизотропных сталях составляет более 75% полных магнитных потерь [5-6]. В связи с этим, выявление природы “аномальных “потерь представляет как практический, гак и научный интерес.
Среди железокремнистых сплавов маилучшими магнитными свойствами обладают анизотропные Ге-3%81 стали с ребровой текстурой (или текстурой Госса), при которой диагональная плоскость (110) кубической элементарной ячейки этого сплава, совпадает с плоскостью листа, а ребро куба элементарной ячейки 10011 - с направлением прокатки. В настоящее время, путем оптимизации размерных, ориентационных параметров листовой анизотропной стали, а также, прямым воздействием на сс относительно крупную ДС, удалось получить наименьший уровень магнитных потерь среди прочих электротехнических сталей [9-13]. Однако, совершенно не исследовано влияние размерных параметров образцов железокремнистых сплавов па динамику ДС, что затрудняет до конца понять механизм формирования магнитных потерь в тонких образцах, и усложняет поиски путей их дальнейшего снижения. До наших работ отсутствовали сведения о динамике ДС кристаллов Рс-3%81 в полях, направленных под произвольным углом к оси легкого намагничивания. Такие исследования имеют, во-первых, большое практическое значение, поскольку подобный случай встречается в реальной стали, намагниченность кристаллитов которой, как правило, разориентирована относительно направления магнитного поля. Во - вторых, они имеют научное значение, поскольку позволят понять, малоизученную, до настоящего времени, динамику замыкающей ДС и проверить соответствие характера ее изменения модельным представлениям перестройки доменной структуры трехосных ферромагнетиков, перемагничиваемых непараллельно оси легкого намагничивания [4].
Отметим, что подавляющее число имеющихся работ, связанных с изучением динамики ДС, проводилось на железокремнистых образцах в линейно-поляризованных
магнитных полях, в ориентированных вдоль оси легкого намагничивания. Наряду с этим, имеется большой класс устройств (генераторы и электродвигатели различного назначения), сердечники которых испытывают вращательное нерсмагничиванис, при котором, магнитное поле, оставаясь по величине постоянным, вращается с угловой частотой о>. Механизм формирования магнитных потерь образцов железокремнистых сплавов при указанном перемагничивании во многом до конца не ясен. Не вполне понятны и причины немонотонного изменения магнитных потерь от амплитуды индукции. Кроме того, в настоящее время, отсутствуют целенаправленные исследования, связанные с поиском путей снижения величины потерь во вращающихся магнитных полях. Решение этих вопросов представляет не только научный, но и значительный практический интерес, поскольку уровень потерь па вращательное перемагничивание в 3-6 раз выше их значений (в зависимости от индукции) в образцах, перемагничиваемых в линейно- поляризованных полях при неизменной величине индукции и частоты [ 11]. Для выявления физической природы магнитных потерь железо кремнистых образцов во вращающихся магнитных полях необходимы детальные сведения об особенностях динамики их ДС. В настоящее время данные о динамике ДС при вращательном перемагничивании образцов Ре-51 отсутствуют из-за крайне ограниченных возможностей существующих методов сс регистрации. Также имеется существенные трудности измерения магнитных потерь во вращающихся магнитных полях, частично это обусловлено тем, что в литературе отсутствует стандартный, общепризнанный метод измерения потерь при рассматриваемом режиме перемагничивания, а число методов измерений, напротив, велико [14-17,43]. Существенные трудности в определении вращательных потерь привели к тому, что были предприняты попытки [18,19] вычисления их значений (через эмпирически найденные коэффициенты) из величины магнитных потерь, измеренных в линейно-поляризованных магнитных полях.
Таким образом, динамика ДС кристаллов Ре-3% исследована сравнительно полно лишь при невысоких индукциях и, в наиболее простом случае, когда поле ориентировано вдоль оси легкого намагничивания. Но даже при этих условиях перемагничивания некоторые детали поведения 180- градусных границ до конца не ясны, что не позволяет выявить конкретные причины несоответствия измеренных значений потерь их величине, рассчитанной для плоских 180-градусных границ. Моделей, описывающих динамику ДС при повышенных индукциях, или в полях, направленных под произвольным углом к оси легкого намагничивания, нет. Отсутствие их связано, в первую очередь, с трудностями построения и решения уравнений, описывающих сложную нелинейную перестройку всей доменной структуры при указанных условиях перемагничивания.
8
В настоящее время наиболее простым и надежным способом получения информации о динамике ДС является прямая регистрация сс вида оптическими методами. Однако, из-за ряда недостатков существующих методов, они не могут быть использованы при высоких амплитудах индукции, как в линейно- поляризованных, так и вращающихся магнитных полях, где изменения ДС идут с высокими скоростями смещения границ и сопровождаются существенной неповторяемостью их поведения. Для преодоления этих затруднений необходимы принципиально новые методы регистрации ДС с очень короткими временами съемки, позволяющими надежно проследить за ее изменением в кристаллах Рс-3%81 при различных условиях их персмагничивания.
Учитавя ограниченность сведений о динамической перестройке доменной структуры и вкладе особенностьей ее поведения в магнитные потери железокремнистых сплавов иелледования по рассмотренной теме являются актуальными.
Нель работы заключалась во всестороннем исследовании динамики ДС образцов Ие- в линейно-поляризованных и вращающихся магнитных полях и выявлении зависимости ее изменения от размерных, ориентационных, параметров образцов, установлении источников формирования магнитных потерь и поиска эффективныех путей их снижения. Для решения указанной цели необходимо было решить елкдующие задачи:
1. Разработать принципиально новую методику регистрации динамики ДС кристаллов Ре-
на единичных циклах персмагничивания с короткими временами экспозиции кадров (5- 2(М0'6с.), позволяющей с необходимой для исследований точностью, определять параметры изменения ДС - степень изгиба доменных границ, скорость их смещения, неоднородность движения границ. Использовать эти параметры в модельных представлениях ДС по расчету магнитных потерь в широком интервале изменения индукции и частоты.
2. Исследовать характер смещения и динамического изгиба 180-градусных границ кристаллов Ре-3%81 при синусоидальном изменении индукции при различных условиях перемагничивания, и па основе этого поведения, выявить природу существующего несоответствия величины измеренных вихретоковых потерь их вычисленным значениям для плоских, однородно смещающихся 180- градусных доменных границ.
3. Исследовать динамику роста зародышей персмагничивания их роль в формировании полосовой ДС кристаллов Рс-3%8ц и па основе особенностей ее изменения, выявить причины наблюдаемого резкого роста вихретоковых потерь от амплитуды индукции при ее значениях близких к индукции насыщения образцов. Оценить непосредственный вклад зародышей перемагничивания в формирование магнитных потерь кристаллов при повышенных амплитудах индукции.
9
4. Выявить влияние размерных и ориентационных параметров кристаллов Ре-3%51 на динамику ДС в линейно- поляризованных магнитных нолях. Выяснить ее соответствие модельным представлениям об изменении доменной структуры магнитотрехосного ферромагнетиков, персмагничивасмых под произвольными углами к оси легкого намагничивания [001].
5. Исследовать нелинейную динамику ДС во вращающихся магнитных нолях, и на ее основе, выявить причины аномально высоких значений магнитных потерь и их немонотонного изменения от амплитуды индукции во вращающихся полях.
6. Найти аффективные нуги снижения аномально высоких значений магнитных потерь железокремнистых сплавов, персмагничивасмых во вращающихся магнитных полях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и выводов, перечня цитируемой литературы, а также приложения. Текст содержит 297 страниц машинописного текста , 128 рисунков, 16 таблиц и насчитывает 281 ссылок на цитируемую литературу.
В первой главе приводится описание наиболее распространенных способов регистрации динамической доменной структуры (стробоскопический, высокоскоростной киносъемки), проведен анализ их работы. Исходя из рассмотренного, описывается новый метод регистрации вида доменной структуры на единичных циклах перемагничивания. Метод основан на использовании электронной установки “Лупа времени ЛВ-04“, предназначенной для сверхскоростной регистрации быстропротскающих процессов и явлений. Разработанная методика многокадровой съемки (4-16 кадров) с небольшими временами экспозиции кадров (1-5-10*5 с) и межкадровыми интервалами (1-5-10"* с) позволила надежно проследить за изменением динамического поведения доменной структуры (особенностей смещения 180- градусных границ, роста зародышей перемагничивания) в широком интервале изменения частот 10-400 Гц и амплитуд индукции 0,25- 2,0 Гл. Разработанная система синхронизации дает возможность проследить за изменением доменной структуры при невысоких частотах перемагничивания (10-80 Гц) путем проведения поэтапной съемки, различными сериями кадров, жестко синхронизированными друг с другом. Погрешность “привязки” магнитного состояния исследуемого образца на динамической петле гистерезиса составляла ±610'5с во всем диапазоне измеренных частот, что не превышало 0,6% периода перемагничивания при всех исследованных частотах. В первой главе, кроме того, приводятся методы измерения полных магнитных потерь и их составляющих на образцах,
персмагничивасмых в линейно- поляризованных магнитных полях. В частности, описан способ определения полных магнитных потерь па отдельных циклах перемагничивания по
10
динамическим петлям, записанным на экране осциллографа. Погрешность определения потерь указанным методом при тщательной настройке аппаратуры составляла 7% в частотном диапазоне 10-1000 Гц.
Во второй главе приведены основные результаты о характере смещения 180- градусных границ полосовой доменной структуры при синусоидальном изменении индукции по сечению исследованных образцов. Эти исследования проведены с целью выявления природы так называемых “дополнительных” потерь, проявляющихся в несоответствии значения потерь, рассчитанных для однородно перемагничиваемого ферромагнетика, их измеренной величине. В значительном числе работ высказывалось и высказывается предположение, что причиной этого несоответствия является несинусоидальное и скачкообразное движение 180- градусных границ, которое не учитывается в проводимых расчетах. Па исследованных моно - и поликристаллах Ге-3%81 при различных условиях псрсмагничивания из непосредственных наблюдений доменной структуры определялись как амплитуды, так и скорости смещения 180- градусных границ. По измеренным положениям границ строились корреляционное уравнения описывающие смещение каждой из имеющихся границ в течение полного цикла псрсмагничивания и проведен анализ полученных зависимостей для разных условий псрсмагничивания образцов.
В третьей главе рассматриваются особенности поведения доменной структуры и зародышей перемагничивания при повышенных амплитудах индукции (Вш =1,70- 1,95 Тл) на образцах с различной степенью искажения кристаллической решетки, оцениваемой как по уровню гистерезисных потерь, гак и непосредственно по полученным рентгеновским топограммам. Исследования проводились с целыо выявления причин резкого роста вихретоковых потерь при высоких индукциях. Выявлены детали изменения характера смещения 180- градусных границ, степени их изгиба по сечению образца и степени дробления доменной структуры по мере роста амплитуды индукции. Исследована динамика поведения зародышей перемагничивания (скорости роста, неоднородности ее изменения по длине образцов и т.д.). Выявлено существенное влияние степени несовершенства кристаллической решетки исследуемых кристаллов Ге-3%51 на динамическое поведение доменной структуры (ДС). Проведен анализ возможного влияния особенностей ее поведения на характер наблюдаемого роста магнитных потерь при повышенных амплитудах индукции.
В четвертой главе приводятся существующие литературные данные о влиянии особенностей динамического поведения доменной структуры образцов Ре-51 (дробления ДС, изгиба ее 180- градусных границ, неоднородности скоростей их смещения) на уровень вихретоковых потерь. Показано, что для объяснения многих особенностей их изменения
11
от размера доменов, от частоты и амплитуды индукции, необходимы дальнейшие исследования динамики ДС, В рассматриваемой главе приводятся результаты исследований сложного динамического изгиба 180- градусных границ по сечению образцов, с учетом которого рассчитывалось значение вихретоковых потерь и проводилось их сопоставление с измеренной величиной при различных амплитудных значениях Вл-. индукции и частоты перемагничивания - В области высоких амплитуд индукций удалось определить параметры произвольного изгиба границ полосовой ДС, непосредственно по которым проводилась оценка значения вихретоковой составляющей потерь при указанных индукциях. Исходя из наблюдаемого поведения зародышей перемагничивания и скоростей их роста, оценен их вклад в формирование магнитных потерь образцов при высоких значениях индукции (Вт = 1,95 Тл).
В пятой главе исследованы особенности динамического поведения доменной структуры и изменения магнитных потерь при утонении монокристаллов Рс-ЗЗШ с различной ориентацией оси легкого намагничивания [001] относительно плоскости образцов, персмагничивасмых в интервале индукций 0,5-1,9 'Гл. Выявлены особенности дробления ДС, изгиба 180- градусных границ, неоднородности их смещения и их зависимость от ориентации намагниченности исследованных образцов. Установлены причины расхождения измеренных (осительно его плоскости па угол (3>0, напротив, возрастает. Перемагнмчивание тонких образцов (<1 < 0,07 мм), даже при высоких Вт = 1,9 Тл, идет без дробления ДС, степень которого была, напротив, высока при исходной толщине образцов. Наблюдаемый разброс толщины, соответствующей минимуму магнитных потерь, измеренной в разных работах, связан с различием уровня гистерезисных потерь исследуемых образцов.
В шестой главе приводятся результаты исследований доменной структуры и магнитных потерь образцов, псрсмагничиваемых под углом а к оси легкого намагничивания, лежащей в плоскости листа. Выявлены детали перестройки ДС таких образцов по мерс роста амплитуды индукции и частоты перемагничивания. На основе наблюдаемого поведения замыкающей ДС дается качественное объяснение наблюдаемому немонотонному изменению вихретоковых потерь образцов, как от амплитуды индукции, так и от угла а.
В седьмой главе приводится краткий обзор литературных данных по исследованию поведения магнитных потерь образцов Ие-Б! во вращающихся полях. Показано, что существенное моменты этого поведения (немонотонное изменение потерь от индукции, их аномально высокая величина ) из-за отсутствия данных о динамике доменной структуры, до сих пор не ясны и требуют дальнейшего исследования. Рассмотрен новый метод
12
регистрации доменной структуры и полученные с его помощью особенности се перестройки на всей поверхности образцов при различных индукциях. Установленные особенности ее изменения позволили не только качественно объяснить немонотонный характер изменения потерь от индукции, но и количественно оценить их значение и тем самым выявить причины их аномально высокой величины. Показано, что эффективными способами снижения потерь Ре-3%51 являются выбор их оптимальной толщины и оптимальный выбор ориентации их поверхности относительно кристаллографической плоскости типа (110). Кроме того, установлено, что весьма эффективным приемом снижения магнитных потерь образцов во вращающемся поле, является их термомагнитная обработка в переменном линейно- поляризованном магнитном поле.
В Заключении обобщены результаты экспериментов и сформулированы основные выводы работы.
Научная новизна результатов заключается в том, что:
• впервые исследована нелинейная динамика ДС, выявлены новые особенности се перестройки па единичных циклах перемагничивания кристаллов Ре-3%81 в линейно-поляризованных и вращающихся магнитных полях;
• в соответствии с выводами теории обнаружен новый тип динамического изменения формы 180-градусных границ, связанный с различием фаз колебания различных точек границы по сечению образца, Учет параметров изгиба позволил вычислить частотную зависимость вихретоковых потерь за цикл перемагничивания и объяснить причины ее наблюдаемой нелинейности;
• выявлены новые сведения о нелинейной динамике зародышей перемагничивания, их роли в формировании полосовой ДС, которая при повышенных индукциях из-за изгиба 180- градусных доменных границ, перестраиваются в систему цилиндрических доменов. Из найденных параметров этой перестройки теоретически была восстановлена форма изогнутых границ, с учетом которой рассчитана полевая зависимость магнитных потерь, численно совпадающая с измеренной, что позволило объяснить причины резкого роста магнитных потерь образцов при высоких индукциях;
• прямыми наблюдениями подтверждены основные модельные представления об изменении ДС магнитотрехосного ферромагнетика, перемагничиваемого под произвольными углами к оси легкого намагничивания [001]. В частности, подтвержден механизм перемагничивания образцов путем изменения объема внутренних С- доменов, намагниченных вдоль [100] и [010]. Впервые установлено, что изменение размеров С-доменов при повышенных индукциях идет за счет изменения их ширины, осуществляемого смещением значительного числа новых магнитоактивных 90-градусных границ, ранее не
13
принимавших участия в перемагничивании образца. Рассмотренные особенности поведения доменных границ позволили объяснить причины немонотонного изменения вихретоковых потерь от амплитуды индукции
• установлена зависимость динамики ДС от размерных, ориентационных параметров ферромагнетиков. Так, при утонении образцов, изменение ДС существенно зависит от ориентации их поверхности относительно плоскости (110). При достижении некой критической толщины перемагничивание образцов, независимо от ориентации их намагниченности, идет смещением плоских 180-градусных границ, число которых, вопреки теории, не меняется даже при самых высоких индукциях;
• впервые исследована нелинейная динамика ДС образцов Ре-3%81 во вращающихся магнитных нолях. Обнаружено наличие многообразия ДС: от простой полосовой, до сложной замыкающей, непрерывно перестраивающейся по мере поворота магнитною поля. При высоких его значениях исследованы особенности перемагиичивания образца путем вращения его намагниченности синхронно с намагничивающим полем. На основе этого выявлены конкретные причины наблюдаемого немонотонного изменения магнитных потерь от амплитуды индукции, а также объяснен сдвиг максимума магнитных потерь в область меньших индукций при утонении образцов. Установлены причины формирования аномально высоких значений магнитных потерь образцов во вращающихся магнитных полях.
Соответствие диссертации паспорту специальности Содержание диссертации соответствует формуле и п.2 паспорта специальности 01.04.11 -физика магнитных явлений.
Научная и практическая ценность работы:
• работа вносит вклад в понимание физики процессов динамического перемагиичивания ферромагнитных сплавов с кубической решеткой в линейно- поляризованных и вращающихся магнитных полях. Полученные сведения об особенностях перестройки ДС могут быть использованы для построения теории,связывающей величину магнитных потерь ферромагнитных образцов во вращающихся нолях с видом их ДС;
• найдены эффективные пути снижения магнитных потерь образцов на вращательное перемагничивание, связанные с оптимизацией толщины материала и степени его кристаллографической текстуры. Эффективным способом улучшения магнитных свойств железокремнистых сплавов во вращающихся магнитных полях является термомагнитная обработка образцов в поперечном магнитном поле, приводящая к снижению их потерь на 25-30%;
14
• установленная корреляция между толщиной, соответствующей минимуму ПОЛНЫХ магнитных потерь при утонении образцов и значением их гистерезисных потерь, позволяет прогнозировать значение указанной толщины при утонении поликристаллов Fe-3%Si с разной степенью текстуры;
• разработанный принципиально новый метод многокадровой регистрации динамической ДС на отдельных циклах перемагничивания образцов Fe-3%Si может быть надежно использован для исследования ее поведения в любых ферромагнетиках, ДС которых выявляется магнитооптическим эффектом Керра или Фарадея.
Публикации. Автором самостоятельно написано 12 статей и 29 статей в соавторстве, 38 из них были опубликованы в журналах, включенных в Перечень ВАК [20-60].
Апробация результатов. Результаты диссертации защищены 1 авторским свидетельством РФ и доложены на 15 Конференциях и Совещаниях: Всесоюзного
совещания по физике и металловедению э/техиических сталей и сплавов (Челябинск, 1978, Владимир, 1984, Липецк 1988), Всесоюзной научно-технической конференции “Проблемы физики и металловедения э/технических сталей и сплавов“ (Аша, 1981), Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Пермь, 1981, Харьков, 1983, Донецк, 1985), Europhycs conference abstracts Soft Magnetic Mater. (Eger, Hungary, 1983), Научно-технической конференции по проблемам повышения качества магнитомягких материалов, г.Свердловск, 1986, Байкальской межд. Конференции " Магнитные материалы" (Иркутск,.2003, 2008), International Conference “Functional Materials” (Partcnit, Ukraine,
2007, 2009), Moscow International Symposium on Magnetism (Moscow, 2008), IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" EASTMAG-2010 (Ekaterinburg , 2010).
Работа выполнена в Институте физики металлов УрО РАН в лабораториях ферромагнетизма и микромагнетизма.
В диссертации частично использованы материалы работ, проведенных при выполнении Проектов РФФИ (№93-02-16802, №96-02-16000, № 99-02-16279, № 01-02-96407 (правит. Свердловской области.), № 02-02-16443, № 03-02-16185, №06-02-17082, № 05-02-17774), Интеграционного проекта УрО РАН-CO РАН №23, Президиума РАН №11.
15
ГЛАВА 1 МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ ОБРАЗЦОВ В ЛИНЕЙНО- ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ПОЛЯХ
В настоящее время разработано большое число разнообразных методов выявления доменной структуры ферромагнетиков, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки: 1) метод порошковых фигур, 2) магнитооптический метод, 3) метод электронной микроскопии, 4) нейтронографический метод и др.. Для наблюдения динамической доменной структуры наиболее приемлемым из перечисленных способов являются сканирующая электронная микроскопия (БЕМ) и магнитооптический метод. Перший из них применялся в ряде работ для наблюдения динамики ДС в образцах Гс-3%81 при небольших частотах перемагничиоания и амплитудах индукции [61- 63]. Основное достоинство данного метода заключается в том, что он позволяет выявить изменение ДС в электротехнической стали непосредственно под се электроизоляционным покрытием, не снимая его. При решении ряда задач это обстоятельство является весьма важным.
Гораздо чаще для регистрации динамики ДС образцов Ре-3% и других магнитных материалов применяется магнитооптический метод, основанный на использовании эффекта Керра, заключающийся в том, что при отражении от магнетика большая ось эллипса поляризации света поворачивается на малый угол относительно плоскости поляризации падающего света [64]. Главное достоинство данного метода заключается в относительной простоте и без инерционности, что позволяет использовать его для регистрации вида ДС в широком интервале частот перемагничивания - от единиц герц до сотен килогерц. Основной недостаток данного способа выявления ДС в образцах Не-3%51 - сравнительно невысокий контраст ее изображения. Использование этого метода требует весьма тщательной подготовки поверхности образцов, нанесения дополнительных диэлектрических покрытий из 2пБ, БЮ с целью повышения оптического контраста. Сочетание данного метода регистрации с импульсным источником света (стробоскопической лампой), работа которого синхронизирована изменением намагничивающего поля, позволяет фиксировать вид ДС исследуемых образцов в любых магнитных состояниях на динамической петле перемагничивания [65-67]. Несмотря на все достоинства стробоскопического метода, он имеет существенный недостаток: регистрация ДС с его помощью возможна лишь в случае строгой воспроизводимости положения доменных границ на поверхности образца на разных циклах перемагничивания. Однако подобное поведение наблюдается лишь в
16
простейшем случае - при невысоких индукциях, когда перемагничивание образцов осуществляется лишь смещением 180- градусных доменных границ. Когда воспроизводимость их положения отсутствует, что наблюдается при повышенных индукциях (Вт~1,5-1,7Тл), данный метод не может отразить действительную картину изменения ДС в процессе псремагничнвания. В таких случаях для ее регистрации применяют другие методы наблюдения, наиболее распространенным из которых является высокоскоростная фотосъемка (киносъемка) [68,69]. Этот способ использовался для рег истрации вида динамической ДС образцов железокремнистых сплавов во многих работах [70-72]. К сожалению, данный метод регистрации имеет один весьма существенный недостаток, а именно - позволяет фиксировать ДС лишь со сравнительно большими временами экспозиции отдельных кадров. Последнее обусловлено тем, что существующие источники света не позволяют получить достаточно высокую освещенность поверхности образцов, необходимую для съемки со временами экспозиции не превышающими 1- 810 ^ с. Вследствие этого, метод скоростной киносъемки не может быть использован для исследования поведения ДС при высоких индукциях (Вш>1,7 Тл), при которых скорости движения доменных границ могут достигать весьма высоких значений.
Для поставленных в настоящей работе задач требовалась разработка принципиально новой методики наблюдения, позволяющей надежно проследить за поведением доменной структуры на единичных циклах перемагничивания в интервале изменения частоты (10-1000 Гц) и амплитуд индукции (0,25 - 2, 0 Тл).
1.1 Метод мно1Т)кадровой регистрации динамической доменной структуры на единичных циклах перемагничивания
Проведенный анализ показал, что для реализации задач по исследованию динамики доменной структуры, существующие методы регистрации не приемлемы, в том числе и метод сверхскоростной киносъемки с использованием камеры СКС-1, позволяющей проводить съемку со скоростями порядка 5000 кадр/с. В работе планировалось проведение не только регистрации вида ДС, но и количественное определение ее динамических параметров: скоростей движения доменных границ, степени их изгиба, скоростей роста зародышей перемагничивания при различных условиях перемагничивания образцов и т. д.
Для решения поставленной задачи требовалось:
1) Разработать принципиально новый метод многокадровой регистрации вида ДС, позволяющий фиксировать ее вид на отдельных циклах перемагничивания серией кадров
17
со временами экспозиции не более 5-Ю'5 с и плавной регулировкой межкадровых интервалов;
2) Создать систему управления регистрирующей установкой, позволяющей фиксировать картину доменной структуры образцов в любых, наперед заданных состояниях, соответствующих определенным точкам на динамической петле гистерезиса с небольшой временной ошибкой.
С учетом рассмотренных требований была разработана и изготовлена регистрирующая установка на базе промышленного прибора “ Лупа времени “ ЛВ-04, предназначенного для сверхскоростной регистрации быстропротекающих, слабосвстящихся процессов и явлений.
Установку можно условно разделить на четыре самостоятельных блока:
1) Оптический . 2) Блок регистрации. 3) Намагничивающее устройство.
4) Система синхронизации.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Блок-схема установки для регистрации динамической доменной структуры: ИС -источник света ДРШ-250 ( ДКСШ- 500), П - поляризатор, О- образец, А- анализатор, М-микроскоп МБС-2, Л В - прибор ЛВ-04, ИВИ- измеритель временных интервалов 43-19, НУ-намагничивающее устройство, ГНЧ- генератор напряжения Гб-15, ГПИ- генератор прямоугольных импульсов Г5-27, В- вольтметр средних значений Ф564, УПТ- усилитель напряжения УИПЛ-2, ОУ- осциллограф С1-93.
Доменная структура образцов выявлялась с помощью меридионального магнитооптического эффекта Керра. Луч света от мощного источника света (ИС), проходя через поляризатор (П) и отразившись от поверхности исследуемого образца (О), далее следует через анализатор (Л) и микроскоп (М), попадает па приемное устройство регистрирующей установки (ЛВ). Установка предназначена для сверхскоростной фотографии слабосветящихся процессов и явлений. Ее основной частью является 3-
18
каскадный импульсный электронно-оптический преобразователь (ЭОП) [68.73,74]. Принцип его работы рассмотрим на примере однокаскадного ЭОПа (рис. 1.2). Под действием поступающего оптического изображения, фогокатод (1) (рис. 1.2а) испускает электроны, плотность распределения которых пропорциональна яркости отдельных деталей подаваемого оптического изображения доменной структуры. Электроны, ускоряясь под действием приложенного к фотокатоду ускоряющего напряжения, пройдя систему электронного затвора (2) и отклоняющих пластин (4), попадают на встроенный экран (5) камеры, выбивая из него вторичные электроны. Электронное изображение, формируемое вторичными электронами, фокусируется с помощью магнитной линзы (7) на экране выходной камеры (6). Выходной экран, покрытый флуоресцентным составом, преобразует электронное изображение в видимое, которое фиксируется с помощью фотоаппарата (8) на фотопленку.
Соответствующим управлением ЭОПа можно получить на выходном экране временную развертку изменения вида доменной структуры в виде ряда отдельных кадров следующих друг за другом (кадровая развертка), либо в виде четырех отдельных строк (линейная развертка). В первом случае изображение ДС на выходном экране ЭОПа формировалось в виде 4; 8 или 16 отдельных кадров, расположенных в шахматном порядке и следующих друг за другом через определенные моменты времени. Это приведено в качестве примера на рис.1.2. Получение подобного изображения достигалось применением в ЭОП специального импульсного затвора и управлением отклоняющими пластинами импульсами строю определенной формы. Использование в установке многокаскадного электронно-оптического преобразователя позволило значительно повысить яркость подаваемого на фотокатод оптического изображения. Согласно данным работы [68], коэффициент усиления по яркости в трехкаскадною ЭОПа пропорционален К=т| 1Т12Л.*и|Па 1Ь, где пьЛг.Лз -коэффициенты, характеризующие параметры фотокатодов и экранов ЭОПа; ускоряющие
напряжения, приложенные к соответствующим камерам. Подбором оптимальных напряжений на камерах можно получить изображение ДС наилучшего качества с наивысшсй яркостью. Тщательная настройка ЭОПа (подбор ускоряющих напряжений и тока электронных линз), позволяла проводить регистрацию вида доменной структуры с весьма небольшими временами экспозиции отдельных кадров (5-10Т0'6с) и, с короткими временными интервалами между ними (10- 300Т0'бс).
Вопрос формирования многокадрового изображения важен как для понимания принципа работы регистрирующей установки, так и для последующего анализа изображений доменной структуры, полученных на разных этапах перемагиичивания образцов. Поэтому, рассмотрим его подробнее на примере формирования первого столбца кадров в
19
изображении, видимом на экране ЭОПа (рис. 1.2.6). При работе ЭОПа на его вертикально - и горизонтально - отклоняющие пластины от генераторов развертки подаются управляющие ступенчатые импульсы, строго синхронизированные друг с другом по времени (рис. 1.2.в). Пучок электронов, формирующий электронное изображение, попадая в систему отклоняющих пластин, под действием приложенного к "вертикальным" пластинам напряжения, в течение первого импульса отклоняется по вертикали от своего исходного положения на определенный угол. Его величина на данном отрезке времени остается неизменной. Одновременно с этим, под действием приложенного напряжения к горизонтально-отклоняющим пластинам, электронный пучок, отклоняется также на некоторый угол и в
’Л’ЛУ*1і
уі
а
□ ИИ 0
ш Ш 0 0
ш 00 0
□ Ш 0 0
Ь
в
Рис. 1.2 Принципиальная схема электронно-оптического преобразователя (а), порядок следования кадров на его выходном экране (б) и диаграмма напряжений на
отклоняющих пластинах ЭОПа (в).
горизонтальной плоскости и, таким образом, на выходном экране ЭОП формируется изображение, соответствующее первому кадру первого столбца. По окончании импульса напряжения первой горизонтальной ступеньки на вертикально-отклоняющие пластины электронного затвора подается прямоугольный импульс напряжения определенной амплитуды, под действием которого электронный пучок выходит из отверстия в диафрагме (3) и, тем самым, электронное изображение запираетоя. С началом подачи следующего импульса на вертикально-отклоняющие пластины электронный затвор отпирается и пучок электронов, отклоняясь, на определенный угол по вертикали, формирует на выходном
20
экране ЭОПа второй кадр и т.д. Вследствие сравнительно большого времени послесвечения (10-15с.) люминесцентного слоя выходного экрана, сформированные на нем, таким образом, изображения всех 16 кадров, могут быть одновременно зафиксированы с помощью фотоаппарата (8) на неподвижной фотопленке.
Блок управления "Лупы времени" позволял варьировать необходимые временные соотношения в получаемых сериях в весьма широких пределах. Так, время экспозиции каждого отдельного кадра можно было менять плавно от 5 до 100* 10'ь с, соответственно, временные интервалы между кадрами - ступенями от 10 до 500-106 с, то есть полная длительность серии из 16 кадров, могла по мерс надобности, меняться от 2,3-10 1 с до 9, МО'3 с.
Помимо кадровой развертки, регистрирующая установка позволяла проводить съемку доменной структуры в режиме фоторсгистратора или линейной развертки. В этом режиме работы на вертикально-отклоняющие пластины ЭОПа вместо ступенчатых импульсов (рис.2в) подавались четыре пилообразных импульса. Управление горизонтально-отклоняющими пластинами осуществлялось и в этом режиме, по-прежнему, четырьмя прямоугольными импульсами. В результате такого управления отклоняющими пластинами на выходном экране ЭОПа изображение ДС формировалось в виде четырех строк, расположенных друг под другом (Рис.1.3.). Длительность развертки каждой отдельной строки могла непрерывно меняться от4-Ю'5 до 2-Ю'3 с. Временное разрешение
1
2
3
4
Рис. 1.3 Вид доменной структуры монокристалла Ре-3%51, Г= 60 Гц. В,„= 1,8 Тл. А - кадровая развертка, Б - линейная развертка
21
при этом достигало МО* с. Из рисунка видно, что если при кадровой съемке вид ДС фиксируется дискретно (в данном случае через 310 ‘ с), то в линейном режиме можно проследить за ее изменением непрерывно. В частности, анализ таких изображений подтвердил отсутствие скачков 180- градусных доменных границ при синусоидальном изменении индукции. Значительное внимание при отработке методики съемки было уделено выбору подходящего источника света, так как задача получения максимального контраста изображения ДС на выходном экране ЭОПа во многом зависела от его спектральных характеристик. После многочисленных испытаний и пробных съемок в качестве источника света были выбрана дуговая ртутная лампа сверхвысокого давления типа ДРШ-250 [75]. Она обладают большой яркостью (порядка 1000 Мит, что в десятки раз превышает яркость нити лампы накаливания) и дает значительный световой поток (свыше 12500 лм). Это позволило получить однородную освещенность исследованных участков образца при их наивысшей яркости. Питание лампы осуществлялось выпрямленным напряжением от сети переменного тока. Для максимального уменьшения величины пульсации светового потока, крайне нежелательной при съемках, в цепь питания лампы включался П- образный Ь-С фильтр (Ь=О,08 Гн, С= 5 104мкф).
С целью предотвращения нагрева образцов во время съемки между лампой и поляризатором ставилось три светофильтра типа СЗС-14, задерживающих инфракрасные лучи. Для увеличения размеров оптического изображения, подаваемого на фотокатод ЭОПа, использовался микроскоп типа МБС-2.
1.2 Система синхронизации
Для регистрации вида доменной структуры образцов в любых заданных магнитных состояниях, соответствующих точкам на динамической петле гистерезиса, работа установки ЛВ синхронизировалась либо изменением намагничивающего поля, либо изменением средней по сечению образца индукции. Принципиальная схема синхронизации, соответствующая последнему случаю, приведена на рис. 1.1.
Рассмотрим се работу. Синусоидальный сигнал с одного выхода генератора низкой частоты (ГНЧ) поступает на обмотку намагничивающего устройства (НУ) и, одновременно, с другого выхода сигнал, находящийся с первым в одной фазе, но повышенной амплитуды (порядка 10 в) подается на запуск генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), работающего в режиме внешнего запуска. Он вырабатывает серию прямоугольных импульсов и позволяет в широких пределах (от 0,1* 10*6 до I с) дискретно (через О.МО*6 с) менять время задержки - время между началом запуска ГПИ и моментом появления на его выходе сфор-
22
мированного задержанного прямоугольного импульса. Последний поступает на внешний запуск регистрирующей установки (ЛВ) и осуществляет внешнюю синхронизацию работы осциллографа (ОУ). Одновременно с этим, напряжение с измерительной обмотки (НУ) через усилитель постоянного тока (УПТ) подастся непосредственно на вертикально-отклоняющие пластины осциллографа (ОУ), на экране которого можно наблюдать сигнал в измерительной обмотке намагничивающего устройства: Е(0= с1Вср/си (Вср = Вш-ятсЯ - изменение средней индукции по сечению образца) и положение синхронизирующих импульсов (рис. I Л).
а
б
Рис. 1.4 Положение синхронизирующих импульсов на кривой изменения индукции: а- соответствует динамической коэрцитивной силе, б - соответствует состоянию ВСр= В,п.
Меняя временную задержку с помощью ГПИ, можно установить положение синхронизирующих мпульсов в любой точке на кривой E(t)= dBCfl/dt и, тем самым, осуществить съемку динамической ДС, соответствующей определенному магнитному состоянию исследуемого образца на кривой его намагничивания. Отметим, что применение усилителя постоянного тока обусловлено тем, что он не вносит фазовых искажений в широком диапазоне частот (от 0,5-1000 Гц) (76,77]. Это обстоятельство являлось весьма существенным при решении задач, проведенных в настоящей работе. Многократные измерения показали, что при тщательной настройке аппаратуры положение синхроимпульсов на кривой E(t)= dBcp/dt при всех исследованных частотах (10- 400 Гц) не превышала ± 1.5°.
Ряд задач, решаемых в настоящей работе, требовал повышенную точность определения момента начала съемки ДС в строго определенном магнитном состоянии образца, соответствующем определенной точке на динамической петле перемагничивания. В данном случае контроль соответствия запускающих импульсов заданной точке кривой намагничивания осуществлялся с помощью измерителя временных интервалов (ИВИ),
I
23
который позволял измерять временные промежутки между импульсами, поступающими на его входы. Анализ данного процесса измерения на примере диаграммы напряжений (рис. 1.5.) позволяет оценить временную погрешность соответствия запускающего импульса определенной точке кривой намагничивания. Сигнал с низкочастотного генератора, меняющийся синусоидально от нуля до амплитудного Um: U(t)=Um-sin cot, поступающий на вход ГПИ, запускает последний не сразу, а спустя некоторое время Atj, необходимое для того, чтобы U(t) достигло уровня запуска данного генератора Ur. После этого сформированный и задержанный им на время t3iU прямоугольный импульс поступает на внешний запуск регистрирующей установки J1B.
Рис. 1.5. Временная диаграмма напряжений: а - на входе ГПИ, б - на входах ИВИ, в - на выходе ГГ ІИ.
Па один из входов ИВИ поступает, прошедший через УПТ сигнал с измерительной обмотки НУ, а на другой вход - задержанный прямоугольный импульс ГПИ. прекращающий отсчет времени ИВИ (рис. 1.1.)- Величина задержки ДІ2 между моментом начала отсчета времени прибором и моментом поступления напряжения на его запуск, определяется максимальной чувствительностью данного входа - иинн и амплитудой сигнала Е1П па выходе УПТ. Поскольку уровень сигнала, осуществляющего запуск ИВИ (120-150В) гораздо выше уровня чувствительности его входа, составляющей 0,15-0,20 В, можно
24
пренебречь временем задержки момента отсчета ИВИ ДЬг и считать се равной нулю во всем диапазоне исследованных частот. Поскольку, идущий на остановку отсчета ИВИ, задержанный прямоугольный импульс имеет большую амплитуду (100-120 В) и очень малое время нарастания переднего фронта (30* 10"9с), то можно видеть, что работа ИВИ заканчивается одновременно с приходом этого импульса, отсчитываемый им временной промежуток равен I = гзад- А1|. При 1^- 0 момент появления задержанного импульса с ГПИ совпадает с началом момента запуска данного генератора, а ИВИ измеряет при Ь1ЛЛ= 0 время задержки Д11. Зная частоту намагничивающего поля, которая измерялась с помощью частотомера, и устанавливая необходимое время задержки ^ад, можно осуществить съемку ДС, соответствующую определенному состоянию образца на кривой его намагничивания.
Точность определения "привязки" момента начала съемки заданному состоянию образца на кривой намагничивания при измерениях с помощью ЛВИ при тщательной настройке аппаратуры составляла ± МО'5 с. Однако фактическая погрешность была несколько выше, так как на точности данных измерений существенно сказываются различного рода помехи со стороны питающей сети переменного тока, а также нестабильность параметров применяемых приборов. Кроме того, как видно из принципа работы системы синхронизации, дополнительная погрешность подобных измерений может быть обусловлена нссинусоидальностыо изменения напряжения на измерительной обмотке намагничивающего устройства, а также фазовыми искажениями, вносимыми усилителем постоянного тока. Для учета этих искажений, была исследована амплитудно-частотная характеристика данного усилителя, которая оказалась линейной в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц. Это означает [76] , что в рассматриваемом интервале частот фазовые сдвиги,
вносимые УПТ равны нулю. Дополнительный контроль с помощью фигур Лиссажу показан, что в исследованном интервале частот сигналы на входе и выходе УПТ находились строго в одинаковой фазе. Во избежание влияния на результаты измерений фазовых искажений усилителя вертикальной развертки осциллографа, сигнал с измерительной обмотки НУ, как уже отмечалось выше, подавался не на У-вход осциллографа, а непосредственно на его верти кал ьно-отклоняющие пластины.
Учет указанных обстоятельств показал, что максимальная ошибка в определении момента начала съемки по отношению к заданному состоянию образца на кривой намагничивания при синусоидальном изменении индукции, при тщательной настройке аппаратуры, составляла ± 6Т0 5с. во всем диапазоне измеренных частот, что не превышало 0,6% периода перемагничивания при всех исследованных частотах. При синхронизации работы ЛВ с изменением намагничивающего поля сигнал на УПТ подавался е
25
намагничивающий обмотки электромагнита. Принцип работы системы синхронизации оставался в данном случае без изменений.
Как уже отмечалось ранее, максимальная длительность серии из 16 кадров, получаемых на выходном экране ЭОП, составляет порядка 9,1 *10 *с, что даст возможность наблюдать за поведением ДС в течение полного цикла изменения намагничивающего поля лишь при частотах, больших или равных 120 Гц. При меньших частотах изучение поведения ДС за полный период перемагничивания проводилось по нескольким сериям кадров, начало и конец которых были строго синхронизированы по времени, а их общая длительность была равна или превышала период изменения поля. Последовательность такого процесса съемки иллюстрируется на рис. 1.6. Рассмотрим подробнее порядок сс проведения. Пусть исходная картина ДС, съемку
Рис. 1.6 Положение запускающих импульсов (б) на кривой изменения индукции
которой необходимо осуществить, соответствует какому-нибудь заданному состоянию, соответствующему определенной точке на динамической петле гистерезиса или иначе -определенному положению А на кривой изменения Е(1)=с1ТЗСр/с31. Устанавливая с помощью ГПИ необходимое время задержки (как это было изложено выше), добиваемся, чтобы момент появления запускающего прямоугольного импульса точно соответствовал моменту появления состояния А. Первой серией кадров, длительность которой 1сср, регистрируется
26
изменение вида ДС, от состояния А до состояния В на кривой Е(1)=с1Вср/Ш. Если после этого, величину задержки установить равной I = 11ал| + (1^2=^). то конец первой
серии кадров по времени будет строго соответствовать началу второй серии, фиксирующей изменение ДС от состояния В до С и так далее. При 1}аД2 < Цад| картина изменения ДС на определенной части периода намагничивающего поля будет задублирована, то есть, зафиксирована дважды на некоторых кадрах серий следующих друг за другом.
Таким образом, путем регистрации картины поведения ДС на части отдельных циклов, удается проследить за ее поведением в течение полного периода намагничивающего поля. Важно при этом отметить, что точность "привязки" начала второй, третьей и последующих серий кадров к моменту появления исходного состояния образца будет определяться только точностью соответствия начала первой серии моменту появления данного состояния, поскольку погрешность в отсчете 1здд составляла единицы мкс. Подобный способ съемки позволяет, кроме того, значительно повысить число снятых кадров за период изменения намагничивающего поля, что, в конечном счете, обуславливает меньшую погрешность в определении динамических характеристик поведения ДС (в величине и фазе смещения доменных границ, скорости их смещения и др.) особенно в области высоких амплитуд индукции (В,„> 1,7 Тл).
абвг а б в г
Рис. 1.7. Изменение доменной структуры образца за цикл перемагничивания при І- 60 Гц, Вт= 1,0 Тл; Л-Г- синхронизированные между собой серии кадров, полученные для разных циклах перемагничивания.