振动样品磁强计

关于振动样品磁强计

1959年美国的S.Foner在前人的研究基础上制成实用的振动样品磁强计（VibratingSampleMagnetometer简记为VSM）。由于其具有很多优异特性而被磁学研究者们广泛采用，并又经许多人的改进，使VSM成为检测物质内禀磁特性的标准通用设备。

一、引言第2页,共26页，2024年2月25日，星期天

如果将一个开路磁体置于磁场中，则此样品外一定距离的探测线圈感应到的磁通可被视作外磁化场及由该样品带来的扰动之和。多数情况下测量者更关心的是这个扰动量。在磁测领域，区分这种扰动与环境磁场的方法有很多种。例如，可以让被测样品以一定方式振动，探测线圈感应到的样品磁通信号因此不断快速的交变，保持环境磁场等其他量不做任何变化，即可实现这一目的。第3页,共26页，2024年2月25日，星期天

所谓“内禀”磁特性，主要是按物质的磁化强度而言的，即体积磁化强度Ｍ(单位体积内的磁矩)，和质量磁化强度σ(单位质量的磁矩)。设被测样品的体积为Ｖ（或质量为ｍ），由于样品很小，如直径１ｍｍ的小球，当被磁化后，在远处，可将其视为磁偶极子，如将样品按一定方式振动，就等同于磁偶极场在振动。第4页,共26页，2024年2月25日，星期天

于是，放置在样品附近的检测线圈内就有磁通量的变化，产生感生电压。将此电压放大变成直流并加以记录，再通过电压磁矩的已知关系，通过计算机内置计算程序，即可即时求出被测样品的Ｍ或σ，并显示在电脑屏幕上，自动打点，画出图象。第5页,共26页，2024年2月25日，星期天振动磁强计的发展历史1956,G.W.vanOosterhout,Appl.Sci.Res.,B6,101-104(1956).1956,S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,27,548(1956).1959,S.Foner,Rev.Sci.Instrum.,30,548-557(1959)1975,被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料饱和磁化强度的标准方法之一.1960s,锁相放大技术(1930s)的使用.1980s,自动控制技术广泛使用

……第6页,共26页，2024年2月25日，星期天

如图所示，体积为Ｖ、磁化强度为Ｍ的样品Ｓ沿Ｚ轴方向振动。在其附近放一个轴线和Ｚ轴平行的多匝线圈Ｌ，在Ｌ内的第ｎ匝内取面积元dSn，其与坐标原点的矢径为rn，磁场沿Ｘ方向施加。振动样品磁强计检测原理图二、振动磁强计的理论基础第7页,共26页，2024年2月25日，星期天振动样品磁强计检测原理图

由于Ｓ的尺度与rn相比非常小，故Ｓ在空间的场可表为偶极场形式：第8页,共26页，2024年2月25日，星期天

注意到，Ｍ值有Ｘ分量，则可得到检测线圈Ｌ内第ｎ匝中dSn面积元的磁通为：振动样品磁强计检测原理图其中为μ0真空磁导率。第9页,共26页，2024年2月25日，星期天而第ｎ匝内的总磁通则为：振动样品磁强计检测原理图第10页,共26页，2024年2月25日，星期天振动样品磁强计检测原理图整个L内的总磁通则为：第11页,共26页，2024年2月25日，星期天

其中，Xn为rn的X分量，不随时间而变；Zn为rn的Z轴分量，是时间的函数。为方便计，现在认为S不动而L以S原有方式振动，此时可有：

为第n匝的坐标，a为L的振幅。由此可得到检测线圈内的感应电压为：第12页,共26页，2024年2月25日，星期天

显然，精确求解上式是困难的，但从该方程却能得到一些有意义的定性结论，那就是：检测线圈中的感应电压幅值正比于被测样品的总磁矩J=MV或J=σm。

以下是中国科学计量科学研究院的计算方法，请看下一页。第13页,共26页，2024年2月25日，星期天

假设一个小样品具有磁矩m并可被等同为一个点，并将该样品放在一个半径为R的检测线圈平面内，即可按照前面所说的一个偶极子处理，即一个小环形电流，其电流强度为im，面积为A。因此m=Aim。以探测线圈为原点，设偶极子所在位置为（x0，y0）。

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再假设在检测线圈中同时存在一个电流is,此时，这两个环形电流可以互相耦合。类似于互感器，他们之间具有互感系数M，两者之间的磁通为Φms=Mis或者Φsm=Mim，前者为从线圈链向磁偶极子的磁通，后者相反。

探测线圈在磁偶极子处产生平行于Z轴的磁感应强度Bz(x0，y0)。这里我们定义一个重要的特征参数-探测线圈常数K(x0,y0)=Bz(x0,y0)/is.从线圈链向磁偶极子的磁通还可以写为Φms=Bz(x0,y0)A。第15页,共26页，2024年2月25日，星期天

则互感系数可以写为：于是偶极子链向探测线圈的磁通最终可以写为:推而广之，如果偶极子处于更一般的位置(x,y,z),则有：第16页,共26页，2024年2月25日，星期天

如果这个偶极子以dr/dt的速度移动，那么探测线圈中产生的即使感应电压则为：其中grad为灵敏因子，并且：

经过进一步的简化(可登陆查询)，探测线圈中产生的即时感应电压变为：第17页,共26页，2024年2月25日，星期天

可见，样品的尺寸大小直接影响磁性的测量，不宜过大。如果X轴方向尺寸过大，将会导致输出信号减弱，甚至为零。第18页,共26页，2024年2月25日，星期天

前面介绍的为振动样品磁强计的基本原理。要将这些原理变为现实，以下装置必不可少:1、稳定、可靠的振动系统2、数字化控制的磁场源(超导线圈或电磁铁)3、锁相放大器，用于线圈感应信号的选频和放大4、辅助同步信号源，与样品振动同频率，用来精确控制样品振幅5、磁场测量系统6、控温系统(如果需要测量温度特性)三、振动样品磁强计仪器结构和工作原理第19页,共26页，2024年2月25日，星期天真空泵VSM结构和工作原理示意图

自动控制技术广泛使用，增加了锁相放大技术、相敏检波技术。X-Y记录系统，高级电子计算机循环水冷却系统和温控气体（液氮）真空泵第20页,共26页，2024年2月25日，星期天

振动样品磁强计，主要的部件如上图所示，其中循环水这一环节非常重要，用来冷却电磁铁，否则会烧坏电磁铁内部线圈。振动头按照一定得频率振动，样品安装在与振动头相接的振动杆尖端，尖端处于电磁铁的中央。具体使用时，会进行校准，选取最佳位置。在测量的过程中，计算机会自动检测到扰动，计算出相应的磁矩，并进行打点，平均每打一个点，会自动调节3-5分钟，比起以往的磁性测量，我们现在普遍使用的是美国的LakeShore-VSM，它在测试的过程中没有零点漂移，而且噪音小，受外界影响小，所以测出的结果相对准备度较高。第21页,共26页，2024年2月25日，星期天四、测试样品的准备VSM开路测量的优势之一即是对样品的形状不做严格要求，只需在测量前将样品切成直径大概在2-3mm的小颗粒就可。对于粉末和液体样品，测量时应该用专用膜包装成小粒，切记不能超过振动杆样品室的尺寸。各种闭路方法无法测量的样品形状，只要设法进行合适的自退磁场和温度修正，都能够有效测得样品的磁特性。第22页,共26页，2024年2月25日，星期天

为避免电磁铁烧坏，所以在开机时一定要注意，先开循环水，然后再相应打开各部件。在测量过程中，外部环境的温度可能会直接影响到样品的磁特性，所以，在样品安装处，接了真空泵并即时运转，避免样品和外部空气有直接接触。室内环境温度一般要保持恒定，我们一般采用空调进行设定，在测量中，保持室内干净整洁，无工作之外噪音，测试人员开机后，应即时撤出。第23页,共26页，2024年2月25日，星期天四、振动样品磁强计的应用

振动样品磁强计最初是由弗尼尔(S.Foner)提出的。他对磁强计的结构，各种探测线圈及其对灵敏度的影响都作了详细的论述。经过约半个世纪的发展，如今VSM己是磁性实验室中应用范围很宽的测试设备，自从锁相放大技术开始在VSM上得到应用以来，使其灵敏度得到了极大范围的提升，适用范围也不断得到拓展。第24页,共26页，2024年2月25日，星期天

除永磁材料