Плетнев С.В. Магнитное поле: свойства, применение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.6.7.2. Магнитная система "Орхидея"

Разработка магнитной системы, способной заменить электромагнит, для

комплектации ЛОВ, учитывая условия эксплуатации (0-40°С), проведена с

использованием магнитов типа MAEP36ML.

Полученная система МАЕР.684116.136 "Орхидея" обеспечивает стабиль-

ную воспроизводимость генерации ЛОВ различных частотных диапазонов

вплоть до 1500 ГГц — рис. 6.7.2.

Данная магнитная система создает в цилиндрической рабочей области

диаметром 45 мм и длиной 33,5 мм высокооднородное магнитное поле вели-

чиной не менее 1,2 Тл, при максимальной неоднородности в зоне расположе-

ния замедляющей системы ЛОВ — 2 %.

Параметры реальной магнитной системы представлены на рис.6.7.3.

Рис.6.7.3. Параметры МС "Орхидея". Значения на графиках — неоднород-

ности поля в продольном (Z) и радиальном (R) направлениях

.391

На базе данной МС разработано целое семейство систем для ламп обрат-

ной волны и оротронов.

Пример 2. Магнитные системы лампы бегущей волны

В настоящее время магниты типа MAEP26HSs используются в производ-

стве магнитных систем для ламп бегущей волны (ЛБВ).

Разработаны и поставляются МС двух типов: магнитные периодические

фокусирующие системы (МПФС) и комбинированные МС с последовательны-

ми периодической и регулярной составляющими магнитного поля.

Поскольку принципы проектирования подобных систем практически

ничем не отличаются от МС на основе магнитов типа КС не будем останавли-

ваться на них подробно.

Однако, при принятии решения о применении магнитов типа Nd-Fe-B

следует обратить особое внимание на температурные условия работы прибора.

В отдельных случаях, для обеспечения требований температурной ста-

бильности распределения магнитного поля приходится применять конструк-

ции МС с использованием термокомпенсационных элементов, что усложняет

технологическую составляющую производства МПФС.

Пример 3. Магнитная система магнетрона

Проблемы применения магнитов неодим-железо-бор для производства

МС магнетронов те же, что и у ЛБВ. — Недостаточное охлаждение конструк-

ции в процессе работы прибора неизбежно приведет к дрейфу частоты пропор-

ционально величине обратимого температурного коэффициента магнитной

индукции материала магнита.

Тем не менее, можно привести пример применения неодимовых магнитов

в серийной МС.

Система МАЕР.684116.112 "Цикламен" с продольной составляющей маг-

нитной индукции (в зависимости от количества подстроечных перемыкателей)

в пределах 165-230 мТл обеспечивает работу импульсного магнетрона МИ 456

мощностью Рвых = 2,5 Мвт, Рср = 5 квт, с частотой 2800 c 10 Мгц и t = 6 мкс в

составе медицинского ускорителя.

Пример 4. Магнитные системы клистронов

Наиболее широкое применение магниты типа MAEP26HSs нашли в про-

изводстве фокусирующих систем с регулярными и реверсными магнитными

полями для мощных широкополосных однолучевых и многолучевых клистро-

нов — рис. 6.7.4.

На сегодняшний день в серийном производстве находится 17, а в разра-

ботке 4 наименования МФС и МРФС.

Необходимо отметить, что все клистроны, комплектуемые МС на магни-

тах Nd-Fe-B имеют интенсивное воздушное или жидкостное охлаждение.

Повышенные требования к значениям амплитуд, однородностей продоль-

ных и поперечных составляющих магнитных полей наиболее успешно реали-

зуется при использовании магнитов типа MAEP26HSs, в силу композицион-

ных и технологических особенностей их производства.

392

Рис. 6.7.4. Магнитные системы клистронов

Рис.6.7.5. Картина распределения магнитного поля МРФС

усилительного клистрона

Рекордные гистерезисные характеристики магнитов играют важную роль

для снижения массы и габаритов пакетированных конструкций в изделиях

мобильного базирования. А с учетом веса МС, порой доходящего до несколь-

ких десятков килограмм, немаловажным обстоятельством при серийном вы-

пуске изделий является цена.

В качестве примера на рис.6.7.5 представлена картина поля МРФС с двумя

реверсами МАЕР.684116.125 "Тюльпан" многолучевого (29 пучков) импульс-

ного усилительного клистрона с экранированным катодом.

За счет сужения зон реверса поля, однородности продольной составляю-

щей в регулярных областях не хуже 4 % и значений поперечной составляющей

по всей длине пучков не более 3 мТл -- рис.6.7.4 -- система обеспечивает

высокое токопрохождение прибора.

393

Рис.6.7.6. Распределение вдоль прибора продольной (Вz) и поперечной (Вr)

составляющих магнитного поля и пульсации оси и периферии пучка электро-

нов относительно центра одного из пролетных каналов радиуса R =1

394

Таким образом, проведенная за последние 10 лет работа показывает пер-

спективность применения магнитов типа Nd-Fe-B в разработке и производстве

магнитных элементов и систем для обеспечения задач электровакуумного

приборостроения.

Источник

www.magn-tech.ru

6.8. Процессы перемагничивания и методы записи информации

на магнитных пленках

6.8.1. Процессы перемагничивания тонких ферромагнитных

пленок

Под перемагничиванием будем понимать процесс, при котором ферромаг-

нитный образец, намагниченный до насыщения в одном направлении, под

воздействием внешнего магнитного поля намагничивается в противополож-

ном направлении. Для получения полной картины явлений, наблюдаемых при

перемагничивании ферромагнитной пленки, проанализируем основные этапы

этого процесса. Удобно начать знакомство с изменений, происходящих в плен-

ке под влиянием магнитного поля, если она вначале находится в размагничен-

ном состоянии. В этом случае пленка оказывается разбитой на отдельные

области (домены), намагниченные до насыщения. Магнитные моменты доме-

нов распределены так, что результирующий магнитный момент образца рав-

няется нулю. Такому состоянию соответствует минимум суммарной энергии

пленки. При воздействии на пленку внешнего магнитного поля происходит

перераспределение магнитных моментов доменов, вследствие чего тонкопле-

ночный образец приобретает магнитный момент, величина которого возраста-

ет с увеличением магнитного поля. Происходит намагничивание пленки. Рас-

смотрим этот процесс подробнее.

Для конкретности допустим, что тонкая магнитная пленка обладает одно-

осной анизотропией с осью легкого намагничивания (ОЛН), лежащей в ее

плоскости. Доменная структура такой пленки в размагниченном состоянии

показана на рис. 6.8.1, а. Домены имеют вид широких полос, разделенных

междоменными границами. На рис. 6.8.1, г, где показана зависимость намаг-

ниченности от величины напряженности поля Н, этому состоянию пленки

соответствует точка 0. Векторы намагниченности в соседних доменах имеют

противоположные направления и ориентированы вдоль ОЛН. Намагниченнос-

тью называется магнитный момент единицы объема ферромагнетика. Напо-

мним, что при ориентации векторов намагниченности вдоль ОЛН энергия

одноосной анизотропии минимальна. Приложим к пленке вдоль ОЛН плавно

возрастающее магнитное поле. В доменах, у которых векторы намагниченнос-

ти ориентированы противоположно напряженности внешнего поля, плотность

энергии окажется больше, чем в доменах с намагниченностью, направленной

395

по полю, на величину . Следовательно, эти домены станут энергетически

невыгодными. Пленка может перейти в состояние с меньшей энергией, если

домены с намагниченностью, направленной по направлению поля, начнут

увеличиваться за счет невыгодно ориентированных доменов. Поэтому, когда

магнитное поле достигает определенной величины, происходит движение до-

менных границ (ДГ), которое приводит к сужению "невыгодных" доменов и

увеличению объема соседних (рис. 6.8.1, б). Пленка в целом оказывается

намагниченной. У такого образца результирующая намагниченность совпада-

ет с направлением вектора напряженности магнитного поля и равна разности

Рис. 6.8.1. а-в — схема процесса намагничивания ферромагнитной пленки в

магнитном поле, приложенном вдоль оси легкого намагничивания. Стрелка-

ми обозначено направление намагниченности в доменах; г — зависимость

намагниченности пленки от напряженности поля Н

магнитных моментов антипараллельных доменов, деленной на объем всей

пленки.

На первом этапе намагничивания пленки, когда магнитное поле слабое,

наблюдаются относительно небольшие смещения отдельных ДГ. В более силь-

ных полях величина их смещения резко возрастает и размеры выгодно ориен-

тированных доменов начинают быстро увеличиваться за счет соседних облас-

тей (рис. 6.8.1, б ). В относительно узком интервале полей происходит значи-

тельный рост намагниченности пленки. Наблюдается линейный ход зависи-

мости М от Н (рис. 6.8.1, г). В магнитном поле еще большей величины остав-

шиеся невыгодно ориентированные домены продолжают уменьшаться в раз-

мерах и постепенно исчезают. Происходит так называемое техническое насы-

щение ферромагнетика (рис. 6.8.1, в). Завершающая стадия намагничивания

пленки дает относительно небольшой прирост М. Наблюдается нелинейный

ход зависимости М от H(рис. 6.8.1, г). Кривая, характеризующая зависимость

намагниченности от величины Н, называется начальной кривой намагничива-

ния. Поле, соответствующее техническому насыщению образца, называется

полем насыщения H

, а намагниченность — намагниченностью насыщения M

(рис. 6.8.1, г). Форма кривой намагничивания в большой степени зависит от

характера протекания процессов изменения доменной структуры в магнитном

поле. В тонких магнитных пленках намагничивание часто происходит в ре-

зультате нескольких больших скачков доменных границ. В этом случае линей-

396

ная часть кривой намагничивания имеет небольшой наклон и наблюдается

узкий интервал нелинейного хода кривой М(Н). В пленках толщиной более 100

нм под действием магнитного поля сначала происходит исчезновение невы-

годно ориентированных доменов, расположенных в центральной части образ-

цов. На краях остаются клиновидные домены с намагниченностью, направлен-

ной против направления магнитного поля.

Завершающий этап намагничивания происходит в результате медленного

"подавления" клиновидных доменов в более сильных полях. Соответственно

уменьшается крутизна кривой намагничивания и расширяется интервал нели-

нейного хода кривой М(Н). В полях выше технического насыщения идет

последний этап намагничивания, который называется парапроцессом. Возрас-

тание М происходит за счет поворота к направлению поля спиновых магнит-

ных моментов отдельных электронов, находящихся внутри намагниченных до

технического насыщения областей [Белов К.П.,1957].

Ознакомившись с особенностями намагничивания пленок, рассмотрим

процессы их перемагничивания. Пусть имеется тонкая пленка, намагниченная

до насыщения в магнитном поле, направленном вдоль ОЛН (рис. 6.8.2, а).

Примем это направление магнитного поля за положительное. Будем постепен-

но уменьшать поле до нуля. В этот период пленка будет оставаться однодомен-

ной и ее намагниченность заметно не изменится (рис. 6.8.2, е). Намагничен-

ность пленки при Н= 0 называется остаточной намагниченностью (Мr). Обо-

значим точку на рис. 6.8.2, е, соответствующую данному состоянию пленки,

цифрой 1. Чтобы перемагнитить пленку, необходимо приложить к ней внешнее

магнитное поле (отрицательное), направленное противоположно полю, в ко-

тором намагничивалась пленка. Поскольку в этом состоянии в пленке нет

доменных границ, то ее перемагничивание может происходить только за счет

процессов вращения векторов намагниченности. Обычно эти процессы начи-

наются на краю пленки, так как этому способствуют размагничивающие поля,

имеющие наибольшее значение вблизи краев тонкопленочного образца.

Образование размагничивающего поля связано с тем, что пленка в намаг-

ниченном состоянии представляет собой постоянный магнит, на полюсах ко-

торого сосредоточены поверхностные магнитные заряды (рис. 6.8.2, а). В

действительности никаких магнитных зарядов не существует. Однако исполь-

зование понятия "магнитный заряд" в некоторых случаях бывает удобным для

объяснения отдельных свойств ферромагнетиков. Наличие поверхностных

магнитных зарядов на границе образца обусловливает существование собст-

венного магнитостатического поля пленки, направленного противоположно

вектору намагниченности (рис. 6.8.2, а). Если поле достаточно сильное, то под

его действием векторы будут отклоняться от своего первоначального направ-

ления, заданного внешним положительным полем .

Отрицательное поле будет стремиться повернуть векторы намагниченнос-

ти в сторону своего направления. Однако поворот векторов будет затруднен,

так как он приводит к увеличению энергии анизотропии пленки. Поэтому в

первый момент возрастания отрицательного поля, пока оно является слабым,

397

Рис. 6.8.2. Изменение доменной структуры и намагниченности в процессе

перемагничивания пленки

пленка остается однодоменной и ее намагниченность практически не изменя-

ется. Затем, когда магнитное поле станет достаточно сильным, на краю пленки

произойдет поворот векторов намагниченности. В итоге образуются неболь-

шие домены клиновидной формы (зародыши обратной намагниченности).

Поле, в котором происходит образование зародышей, называется полем зарож-

дения доменов . Образовавшиеся домены выгодно ориентированы по отноше-

нию к направлению отрицательного поля (рис. 6.8.2, б ). С возрастанием

магнитного поля они увеличивают свои размеры.

На рис. 6.8.3 показан процесс образования и роста зародыша, выявленный

порошковым методом в железоникелевой пленке толщиной 60 нм. Пленка

предварительно намагничивалась в сильном магнитном поле, направленном

вдоль ОЛН пленки. Направление этого поля принято за положительное. После

приложения к пленке отрицательного поля происходит разворот векторов

398

намагниченности у края пленки, который выражается в появлении черных

линий, направленных под углом к ОЛН пленки. Затем в магнитном поле

определенной величины , в тех участках пленки, где разворот наибольший,

возникают зародыши обратной намагниченности. На рис. 6.8.3, а виден заро-

дыш, возникший в отрицательном магнитном поле величиной 430 А/м. С уве-

личением поля он растет, превращаясь в клинообразный домен (рис. 6.8.3, б ).

Рис. 6.8.3. Образование и рост зародыша в железоникелевой пленке толщи-

ной 60 нм. Внешнее магнитное поле направлено горизонтально. Н = 430 А/м

(а), 520 А/м (б )

Увеличение размеров домена происходит в основном за счет смещения его

границ. Если поле по величине близко к полю, в котором происходит интен-

сивное движение доменных границ, процесс перемагничивания пленки проте-

кает в виде одного или нескольких скачкообразных смещений доменных гра-

ниц в узком интервале магнитных полей. Намагниченность пленки резко

уменьшается до нуля (рис. 6.8.2, е, точка 3 ). Это происходит в результате

быстрого роста зародышей намагниченности, которые сливаются и прораста-

ют в крупные домены. Когда объем доменов с намагниченностью, направлен-

ной вдоль отрицательного поля, становится равным объему антипараллельных

доменов, магнитный момент пленки уменьшается до нуля (рис. 6.8.2, е, точка

3). Физическая величина, равная напряженности отрицательного поля, в кото-

ром пленки переходят в размагниченное состояние, называется коэрцитивной

силой (Н

). Затем даже при небольшом увеличении отрицательного поля про-

должается бурный рост выгодно ориентированных доменов за счет соседних

(рис. 6.8.2, в, г) и вся пленка намагничивается в отрицательном направлении

(рис. 6.8.2, е, точка 4). С уменьшением отрицательного поля до нуля (рис. 6.8.2,

е, точка 5 ) намагниченность пленки становится равной остаточной намагни-

ченности (- Мr), для устранения которой снова необходимо приложить магнит-

ное поле, равное коэрцитивной силе, но только направленное вдоль положи-

тельного направления. Рост магнитного поля сначала приводит пленку в раз-

магниченное состояние (рис. 6.8.2, е, точка 6 ), а затем намагничивает ее в

прежнем положительном направлении. Пленка возвращается в исходное со-

399

стояние. В итоге получается замкнутая кривая, которая называется петлей

гистерезиса. Так как в рассматриваемом случае , а процесс интенсивного

перемагничивания протекает в узком интервале полей, петля гистерезиса

имеет форму, близкую к прямоугольной (рис. 6.8.2, е). Из рис. 6.8.2, е следует,

что намагничивание и размагничивание пленки происходят по разным кри-

вым. Изменение намагниченности отстает от изменения напряженности внеш-

него магнитного поля. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Как видно из рис. 6.8.2, е, с возрастанием Н

(петля становится шире)

должно увеличиваться значение напряженности отрицательного магнитного

поля, чтобы перевести образец в размагниченное состояние. То есть образец

становится более устойчивым к действию внешних магнитных полей. Это

учитывается в технике. Например, при изготовлении постоянных магнитов,

применяемых в различных устройствах, используются материалы с большой

величиной Н

Рассмотренный ход кривой М(Н) характерен для пленок толщиной менее

100 нм. В пленке большей толщины за счет достаточно сильных размагничи-

вающих полей, существующих на краях, домены обратной намагниченности

возникают еще в положительном поле в процессе его уменьшения. По мере

уменьшения поля домены увеличиваются в размерах и намагниченность плен-

ки заметно уменьшается. При Н = 0 остаточная намагниченность Mr <Ms. При

изменении направления поля на отрицательное будут продолжаться рост до-

менов и плавное уменьшение намагниченности. Таким образом, в отличие от

тонких пленок уменьшение намагниченности происходит в относительно ши-

роком интервале магнитных полей и за счет плавного смещения доменных

границ. В отрицательном поле определенной величины смещение ДГ более

интенсивное и пленка переходит в размагниченное состояние. С увеличением

поля начинается процесс намагничивания пленки в отрицательном направле-

нии. Как указывалось выше, на завершающей стадии намагничивания на краях

пленки остаются невыгодно ориентированные домены клиновидной формы.

Намагниченность в этих доменах направлена против результирующего маг-

нитного момента намагниченной части пленки, то есть вдоль размагничиваю-

щего поля (рис. 6.8.2, д ). Поэтому краевые домены оказываются более устой-

чивыми к действию внешнего поля .

Переход пленки в насыщенное состояние происходит из-за постепенного

исчезновения оставшихся доменов в нарастающем магнитном поле. Изложен-

ные особенности перемагничивания пленок приводят к тому, что возрастает

наклон боковых сторон петли гистерезиса и прямоугольность петли уменьша-

ется. Петля гистерезиса приобретает форму, характерную для массивных (объ-

емных) ферромагнетиков. Следует заметить, что перемагничивание пленок не

всегда протекает по описанной схеме. Характер протекания процессов пере-

магничивания в большой степени зависит от свойств магнитного материала,

из которого изготовлены тонкопленочные образцы.

400