Metody pomiaru indukcji magnetycznej Bolesław AUGUSTYNIAK

Pomiar indukcji w otwartej przestrzeni Spis zagadnień Pomiar indukcji w otwartej przestrzeni Pomiar indukcji magnetycznej wewnątrz materiałów i właściwości magnetycznych Bolesław AUGUSTYNIAK

Metody pomiaru B Bolesław AUGUSTYNIAK 3

E. H. Hall

Efekt Hall’a In 1879 Edwin H. Hall discovered that when he placed a conducting strip carrying a current in a magnetic field, a potential difference was produced across the strip - transverse to the current and magnetic field directions. At the time, Hall was a 24-year-old graduate student working under Henry A. Rowland at Johns Hopkins University. The discovery of the electron was still over a decade away and the results of Hall’s experiments were poorly understood at best. Nonetheless, the effect that now bears Hall’s name was at a watershed in the history of physics. It was one the first experiments to show that charge carriers of an electric current were negative and hinted at greater things to come. Bolesław AUGUSTYNIAK 5

Pomiar napięcia Halla 1 Bolesław AUGUSTYNIAK 6

Pomiar napięcia Halla 2 Bolesław AUGUSTYNIAK 7

Czujniki efektu Halla Bolesław AUGUSTYNIAK 8

Czujniki efektu Halla 2 Bolesław AUGUSTYNIAK 9

Miernik Halla 1

Miernik Halla 2

Wykorzystanie efektu indukcji Faraday’a

Napięcie indukowane w cewce Bolesław AUGUSTYNIAK 13

Napięcie indukowane w cewce 2 Bolesław AUGUSTYNIAK 14

FLUX-METER – aparat

Parametry techniczne

Czujnik z cewką zawierająca rdzeń FLUX-GATE Wykorzystuje się efekt zmiany indukcyjności cewki, gdy rdzeń - umieszczony w stałym polu magnetycznym – inaczej reaguje na zmienne w czasie natężenie pola magnetycznego od cewki. Zazwyczaj mierzona jest indukcyjność cewki zawierającej rdzeń IEX – prąd pobudzający, ESEC – sygnał badany sonda z jednym rdzeniem, sonda z dwoma rdzeniami i jedną cewką pobudzającą, sonda Forstera z dwoma rdzeniami i dwiema cewkami pobudzającymi w/g. D. Jiles, Magnetism and magnetic Materials

Właściwości rdzenia – właściwości cewki zmiana indukcyjności sondy w funkcji natężenia pola magnesującego (amp· turns) dla różnych natężeń zewnętrznego pola B . Badane jest przesunięcie ‘maksimum’ charakterystyki czujnika.

Czujnik z cewką zawierająca rdzeń FLUX-GATE sonda z jednym rdzeniem toroidalnym i jednym uzwojeniem http://www.ansoft.com/inspiringdesign_02/Flux_Gate_Sensor_Analysis.pdf

FLUX-GATE mierniki tp://www.gmw.com/magnetic_measurements/Bartin on/Mag-01_Pricing.html

Magneto-opór MR (normalny)

Miernik z sondą MR An improvement on the flux gate magnetometer, the AlphaLab DC Milligauss Meter measures magnetic fields (technically “flux density”) up to several times the strength of the Earth field. It has a resolution of 0.01 milligauss (1 nanotesla) and a range of +/-2000 milligauss (200 microteslas). The meter's magnetoresistive sensor is a major improvement over an uncompensated fluxgate magnetometer both in cost and stability. In fact, this sensor approaches a proton precession magnetometer in temperature stability. However, at only 1 mm x 0.2 mm, the active sensor area is much smaller than fluxgate magnetometer or proton sensors. This allows very precise magnetic measurements in small areas (such as thin films) or with high gradients, when necessary.

Gigantyczny Magneto-opór GMR The Giant Magnetoresistance was discovered in 1988 independently by Baibich et al. in Paris and Binasch et al.in Jülich. It is the phenomenon where the resistance of certain materials drops dramatically as a magnetic field is applied. It is described as Giant since it is a much larger effect than had ever been previously seen in metals. It has generated interest from both physicists & device engineers, as there is both new physics to be investigated and huge technological applications in magnetic recording and sensors.

The effect is most usually seen in magnetic multilayered structures, where two magnetic layers are closely separated by a thin spacer layer a few nm thick. The first magnetic layer allows electrons in only one spin state to pass through easily - if the second magnetic layer is aligned then that spin channel can easily pass through the structure, and the resistance is low. If the second magnetic layer is misaligned then neither spin channel can get through the structure easily and the electrical resistance is high. The GMR effectively measures the difference in angle between the two magnetisations in the magnetic layers. Small angles (parallel alignment) gives a low resistance, large angles (antiparallel alignment) gives a higher resistance. Czujniki GMR

Czujniki GMR 2 Illustration of the GMR effect with (a) layers of alternating magnetization producing lots of scattering and (b) reduced scattering when the magnetization of the layers is aligned by an applied field. (c) Resulting variation in resistance as a function of applied field.

Parametry czujnika GMR The GMR of a sample with 9Å thick Cu spacers - where antiferromagnetic coupling is strongest. In zero field the resistance is high as all the Co layers line up anti-parallel, and as a field is applied they progressively line, until the sample is saturated. The resistance is then at a minimum at fields larger than this. The red curve is measured at 4.2K, whilst the blue curve is at room temperature (~300K). The room temp GMR is 75% whilst we have 130% GMR at 4.2 K.

Konstrukcja miniaturowych GMR Microscope picture of a GMR sensor with integrated flux concentrators. The magnetic flux is concentrated on the devices within the gap. The other two devices are shielded from the external field. (b) Flux concentrator arrangement for a two axis sensor.

Nuclear Magnetic Rezonas NMR

Sonda NMR

Miernik NMR

SQUID Superconducting Quantum Interference Device Bolesław AUGUSTYNIAK

Strumień pola magnetycznego przez nadprzewodzącą pętlę Prąd płynie po powierzchni nadprzewodnika wytwarzając strumień Fsc. Kwant strumienia Fo to flukson B. Augustyniak Wstęp do fizyki ciała stałego; Ch. Kittel, PWN, Warszawa, 1999

Tunelowanie elektronów przez złącze przewodnik-izolator-przewodnik Dwa przewodniki A i B oddzielone warstwą izolatora C o grubości rzędu 10 A. Po oziębieniu jeden z przewodników staje się nadprzewodnikiem Dla złącza z nadprzewodników w bardzo niskiej temperaturze nie może płynąć prąd o ile napięcie nie przekroczy wartości Vc = Eg/2e, gdzie Eg jest przerwą energetyczną między pasmami walencyjnym i przewodnictwa B. Augustyniak Wstęp do fizyki ciała stałego; Ch. Kittel, PWN, Warszawa, 1999

Złącze Josephsona dla nadprzewodników Następuje tunelowanie par Coopera przez cienką barierę pomiędzy nadprzewodnikami. Można obserwować dwa zjawiska Josephosna: 1. stałoprądowe (prąd stały płynie przez złącze bez zewnętrznego napięcia) 2. zmiennoprądowe (stałe napięcie przyłożone do złącza powoduje oscylacje natężenia prądu płynącego przez złącze B. Augustyniak

Stałoprądowe zjawisko Josephsona funkcje falowe Y1 i Y2 pary po obu stronach złącza n1 i n2 – ‘koncentracje’ nośników Natężenie J prądu stałego może mieć różne wartości, zależnie od różnicy faz d funkcji falowych Y1 i Y2 po obu stronach złącza Prądu Jo jest maksymalnym prądem dla U = 0 B. Augustyniak Wstęp do fizyki ciała stałego; Ch. Kittel, PWN, Warszawa, 1999

Zmiennoprądowe zjawisko Josephsona Po przyłożeniu różnicy potencjałów V do złącza zmienia się energia par po obu stronach złącza a także zmienić się zaczyna w czasie różnica faz funkcji falowych, tym szybciej, im większe jest napięcie V Płynący prąd staje się prądem przemiennym !!! Napięcie na złączu V = 1 mV wywołuje oscylacje o częstości 483,6 MHz!!! B. Augustyniak Wstęp do fizyki ciała stałego; Ch. Kittel, PWN, Warszawa, 1999

DC Josephson : A dc current flows across the junction in the absence of any electric or magnetic field. AC Josephson : A dc voltage applied across the junction causes rf current oscillations across the junction. This effect has been utilized in a precision determination of the value of Further, an rf voltage applied with the dc voltage can then cause a dc current across the junction. Macroscopic long-range quantum interference: A dc magnetic field applied through a superconducting circuit containing two junctions causes the maximum supercurrent to show interference effect as a function of magnetic field intensity. Magnetometer

Pętla z dwoma złączami Josephsona w polu magnetycznym B Przez pętle przepuszcza się prąd o natężeniu J przy U = 0. Strumień magnetyczny F = B *S zmienia fazy funkcji falowych par Coopera płynących w gałęziach a i b Prąd J jest sumą prądów z obu gałęzi Natężenie prądu jest periodyczną funkcją strumienia F. Maksima występują dla warunku , s – liczba całkowita B. Augustyniak Wstęp do fizyki ciała stałego; Ch. Kittel, PWN, Warszawa, 1999

Oscylacje natężenia prądu dla pętli z dwoma złączami Josephsona w polu magnetycznym B B. Augustyniak Wstęp do fizyki ciała stałego; Ch. Kittel, PWN, Warszawa, 1999

SQUID: ZASADA DZIAŁANIA - 2 Prąd I wchodząc do pierścienia rozdziela się na dwa prądy, których fazy zależą od strumienia pola magnetycznego ww. i które interferują A IA=I0sinA A-B=/0 I A maksymalny prąd nadprzewodzący który może płynąć przez złącze oscyluje; oscylacje zależą od pola B wewnątrz pierścienia  1 2 B I=IA+IB Jeśli przez złącze przepuszczony jest prąd większy, to nadwyżka wytwarza napięcie B IB=I0sinB Amplituda prądu nadprzewodzącego Napięcie oscyluje z okresem 0 (n+1/2) I W DC SQUIDzie plynacy prad rozdziela się na 2, przez gorne i dolne zlacze, inne, w zaleznosci od roznicy faz funkcji po obu stronach zlacza. Ta roznica faz, z kolei zalezy od strumienia pola magnetycznego przeplywajacego przez obszar petli. Prady interferuja prowadzac do analogicznego zjawiska jak interferencja na dwoch szczelinach. Mianowicie, amplituda stalego pradu nadprzewodzacego, czyli takiego dla którego napiecie na zlaczach jest zero zmienia się. Jeśli teraz przez SQUIDa przepuscimy prad troche wiekszy niż maksymalny, to pojawi się napiecie, ale zalezne od tego jak nasz prad jest wiekszy od maksymalnego prady nadprzewodzacego. A ten się zmienia, wiec zmienia się tez napiecie. I to napiecie możemy obserwowac. Tyle oscylacji napiecia, ile kwantow strumienia jest w pierscieniu. Niezaleznie od typu przez pomiar zmian napiecia możemy wnioskowac o strumieniu przez pierscienie, czyli o polu magnetycznym. Co prawda czulosci sa zblizone, ale dawniej latwosc konstrukcji przemawiala za RF SQUIDem, a teraz DC SQUID jest czulszy i czesciej uzywany. Konstruuje się również SQUIDy na nadprzewodnikach wysokotemperaturowych. n I0 V Czułość 10V/0 -1 1 /0 V Nowe techniki.ppt

Oscylacje napięcia dla pętli SQUID dla zmiennego pola B B. Augustyniak

Magnetometry ze SQUID B. Augustyniak

Pomiar pól zmiennych poprzez sprzężenie z pętlą SQUID A magnetometer measures the magnitude of an applied magnetic field. In this case, the flux transformer is a simple two-coil DC transformer. Normally both the pickup and secondary coils are superconducting and therefore need to be cooled. The pick-up coil is placed in the field to be measured, causing a field to be set up by the secondary coil, which in turn is detected by the SQUID L1 - Pick-up coil – cewka pomiarowa L2 – secondary (input) coil – cewka sprzęgająca – wytwarza wtórny stumień B. Augustyniak

C. P. Sun, National Sun Yat Sen University

C. P. Sun, National Sun Yat Sen University

Magnetometry do badań pracy mózgu myszy Overviews of the fabricated SQUID magnetometer array. A bare SQUID magnetometer array chip (a), flipchip connection on a substrate (b).A SQUID magnetometer array was integrated on a Si chip using thin-film fabrication technique with seven-layer process based on Nb/Al–AlOx/Nb Josephson tunnel junctions. The size of the array chip was determined to be 10 mm×10 mm to cover mouse and rat hearts considering anatomical observation. A directly coupled six-loop SQUID with the diameter of 2.5 mm was designed and was arranged in 3×3 matrix with the spatial interval of 2.75 mm in the chip Fig. 1a shows an overview of a fabricated SQUID magnetometer array. In each SQUID, 6 sectoral pick-up loops are directly connected in parallel to the Josephson junctions. International Congress Series 1300 (2007) 570–573

Magnetometry do badań pracy mózgu myszy 2 A SQUID magnetometer array probe Real-time MCG signals recorded with a mouse using the SQUID magnetometer array International Congress Series 1300 (2007) 570–573

Badanie pola magnetycznego mózgu Cutaway drawing of the „Magnes” dewar showing the location of the reference channels relative to the sensor coils Magnes 3600 WH in position for a seated study. Magnetism in Medicine – Handbook; WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2007 B. Augustyniak