CC BY
13
[М^Н
УДК 537.632
КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЯДА ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
М. Ф. Садыков
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: Разработан комплексный метод и автоматизированная многофункциональная установка для исследования акустооптических, магнитоакустических и магнитооптических явлений в магнитных материалах, например: манганитах, магнетиках, ферроиках, высокотемпературных сверхпроводниках.
Ключевые слова: автоматизированная установка, комплексный метод, антиферромагнетик, магнитооптика, магнитоакустика.
Вв1:10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-118-126.
Для цитирования: Садыков М.Ф. Комплексный метод и автоматизированная многофункциональная установка для исследования ряда физических свойств перспективных материалов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. Т. 20. № 11-12. С. 118-126. DOI:10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-118-126.
COMPLEX METHOD AND AUTOMATED MULTIFUNCTIONAL INSTALLATION FOR RESEARCH THE PHYSICAL PROPERTIES OF PERSPECTIVE MATERIALS
M.F. Sadykov
Kazan State Power Engineering University, Russia, Kazan
Abstract. A complex method and an automated multifunctional installation have been developed for research acousto-optic, magnetoacoustic and magneto-optical phenomena in magnetic materials, for example, manganites, magnetic materials, ferroics, high-temperature superconductors.
Keywords: automated installation, complex method, antiferromagnetic, magnetooptic, magnitoacoustic.
For citation: M.F. Sadykov. Complex method and automated multifunctional installation for research the physical properties of perspective materials. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS 2018. vol. 20. № 11-12. pp. 118-126. DOI: 10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-118-126.
Введение
На сегодняшний день в современных областях науки и техники благодаря большому объему информации эффективно используются автоматизированные установки и проводятся комплексные испытания образцов новых материалов и техники. К таким областям, в первую очередь, относятся: ядерная физика, физика твердого тела, радиофизика и электроника [1-3].
Для достижения высокого качества исследований необходима автоматизация контроля управления. Тем временем, автоматизация влияет на технологию процесса производства, на развитие более полной механизации, а также на усовершенствование оборудования [4].
Нами был разработан комплексный метод и создана автоматизированная многофункциональная установка (АМУ) для изучения магнитооптических, магнитоакустических, и акустооптических явлений в магнитных материалах, например: манганитах, магнетиках, ферроиках, высокотемпературных сверхпроводниках [5-6]. Разработанная и созданная АМУ на основе комплексного метода дает возможность одновременного экспериментального исследования магнитоупругих, акусто- и магнитооптических свойств магнитоупорядоченных материалов.
Разработка комплексного метода и АМУ
Учитывая физические особенности исследуемых материалов, разработанный комплексный метод предполагает наличие функциональных систем и блоков АМУ, показанных на рис. 1.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
: :
X а 4> 1 11 II у < 1 г Е Я 0 (1 1 " л ||| С « 2 | в 11 и 3 ощр о П I I Ч 1 Л 5 ? Ф 1 г о < 1- Ф 1- К I < и || и и о шт X ¡!| и 5 а г 18 I о с а 2 1 го" 11 О. II и 5 5 5|| 0 о г г ! у 4> 4" и С т я О I в г г з 0
•Ж' Г и и 01 Т X 1-о и о X < 4д 2 х X X * 5 5 о а г С аа » Я Е В 1 5 | £ 1 £ ; а £ 1 1 1 Ф о 1- < о X Г и <и X и * о < 0 с О ф 9 X г 5 о. < £ я В 0 а, и »- х 1 £ 1 я а с В о о_ н 0 г о а о с
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, СБОРА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рис. 1. Функциональная схема АМУ
После проведенного анализа в области методов и установок, созданных для комплексного исследования перспективных материалов электроники, нами была разработана полностью автоматизированная и многофункциональная экспериментальная установка с использованием современных измерительных и аппаратно-программных средств (рис. 2).
Комплексный метод состоит из следующих этапов:
1. Подготовка образцов и измерительной ячейки. На этом этапе производится обработка исследуемых кристаллов и определяются направления кристаллографических осей. Для возбуждения и приема ультразвука пьезопреобразователи присоединяются к граням кристалла на твердой склейке - поперечные акустические волны формируются и принимаются на заданных частотах и с известной поляризацией.
2. Предварительные эксперименты с целью оптимизации условий генерации и детектирования оптических и акустических пучков, приложения и других измерений магнитного поля. Проводимые на данном этапе работы позволяют соотнести известные
119
теоретические и экспериментальные результаты для исследуемого образца, позволяя скорректировать условия и геометрию проведения эксперимента в последующих исследованиях.
Рис. 2. Автоматизированная установка Структурная блок-схема разработанной и созданной установки показана рис. 3 [7, 8].
Рис. 3. Общая структура АМУ: 1 - ВЧ усилитель мощности; 2 - источник ИК-излучения; 3 - регулируемый источник питания магнита; 4 - цифро-аналоговый преобразователь; 5 - поляризаторы; 6 - источник и приемник акустических волн; 7 - полюса электромагнита; 8 - датчик магнитного поля; 9 - исследуемый материал; 10 - персональный компьютер; 11 - программный комплекс; 12 - супергетеродинный широкополосный приемник; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - приемник ИК-излучения
Использование аппаратных и программных средств компании National Instruments позволило реализовать управляющую часть АМУ по изучению магнитных, магнитоупругих, акустических, акустооптических и электрических свойств магнетиков, полупроводниковых и диэлектрических материалов. Установка с применением комплексного метода позволяет проводить исследования перечисленных свойств и особенностей, и в частности, дифракции света на акустической волне в условиях приложенного внешнего магнитного поля до 1,67-106 А/м.
С целью исследования упругих и магнитоупругих свойств образцов в АМУ имеется акустическая часть установки (рис. 4) [7, 9].
Рис.4. Акустическая часть АМУ: 1 - тактирующий генератор; 2 - модулятор; 3 - широкополосный усилитель; 4 - генератор несущей частоты; 5 - блок термостабилизации (азотная продувка); 6 -пьезопреобразователи LiNЪO3 Х среза; 7 - термостолбик (последовательно соединенные термопары); 8 - исследуемый материал; 9 - полюса магнита; 10 - микровольтметры (В7-38); 11 - персональный компьютер; 12 - блок сопряжения; 13 -
регулируемый источник питания магнита; 14 -регулируемый ВЧ усилитель; 15 - смеситель; 16 -гетеродин; 17 - ФНЧ; 18 - резонансный усилитель; 19 - детектор; 20 - стробоскопический вольтметр
(В9-5); 21 - осциллограф; 22 - регистратор
Оптическая часть АМУ позволяет проводить исследования оптических и акустооптических свойств изучаемых материалов (рис. 3). Для проведения оптических экспериментов используется полупроводниковый лазер ИЛПН-1300-50М с длиной волны 1,35 мкм и мощностью 50 мВт. Регистрация прохождения через образец инфракрасного излучения производится с помощью оптического датчика (поз. 14 рис. 3).
Чувствительность АМУ при магнитоакустических измерениях равна 5 мкВ, а при акустооптических - 2 нВт. Температурная стабилизация установки позволяет поддерживать температуру исследуемых образцов в диапазоне температур от плюс 150 до минус 150°С с точностью ±0,1°С.
Программный комплекс
Сбор, накопление, предварительная обработка и визуализация результатов исследований производится с помощью программного комплекса АМУ. Для этих целей были разработаны собственные алгоритмы обработки информации.
Программное обеспечение (ПО) после каждого проведенного исследования собирает результаты в массив данных и сохраняет их. Для того, чтобы проводить дальнейшую обработку, создана программа анализа и визуализации результатов исследований в виде трехмерной картины.
Лицевая панель ПО показана на рис. 5, 6. Полученные данные наблюдаются экспериментатором в режиме реального времени. Например, лицевая панель программного комплекса позволяет визуализировать графики измеряемых зависимостей [5].
Рис. 5. Лицевая панель ПО в режиме полевой зависимости
Рис.6. Лицевая панель ПО в режиме измерения угловых зависимостей
В АМУ реализовано 3 режима измерений:
1. Режимы полевых и температурных зависимостей. В этих режимах проводятся эксперименты с линейно уменьшающимися или увеличивающими значениями магнитного поля или температуры.
2. Ренжим пространственных изменений каких-либо характеристик. В этом режиме производится сканирование по поверхности - эксперимент при фиксированных значениях различных внешних параметров.
3. Режим внешних воздействий.
Проведение исследований
Разработанный комплексный метод и АМУ позволили выполнять исследования магнитоакустических и магнито-акустооптических взаимодействий в антиферромагнетиках и проводить экспериментальное изучение эффектов, таких как: антиферромагнитная коническая рефракция, магнитоакустическое двулучепреломление, акустооптическая дифракция, фотопроводимость и другие фотостимулированные проявления явлений в сегнетоэлектриках, а также необычные диэлектрические и магнитные свойства манганитов.
На созданной АМУ проведены циклы экспериментальных исследований с использованием разработанных методик, в ходе которых были получены оригинальные результаты [10-19]:
- обнаруженная угловая зависимость эффекта двулучепреломления поперечной акустической волны в легкоплоскостном антиферромагнетике определяется распределением в плоскости базиса довольно слабых магнитных полей, что демонстрирует высокую чувствительность ультразвуковых методов и возможность их использования для изучения не только упругих и магнитоупругих, но и чисто магнитных свойств сильных магнетиков [10-14];
- обнаруженный экспериментально эффект модуляции оптических мод при определенных условиях может являться основой для оптических модуляторов с дополнительной степенью свободы и большим коэффициентом управления [15];
- в легкоплоскостном антиферромагнетике a-Fe2O3 обнаружено резкое изменение оптического двулучепреломления в интервале магнитного поля 237 - 553 кА/м [16,17];
- впервые обнаружено в гематите разделение входящего потока акустической энергии на два потока, соответствующих двум нормальным модам поперечных колебаний [18];
- в монокристаллах LSMO-0.1 и LSMO-0.11 наблюдалась гигантская диэлектрическая проницаемость при температурах ниже 350 К для х = 0.1 и ниже 310 К для х = 0.11. Особенности этих свойств можно объяснить появлением динамических неоднородностей на наномасштабе в предперкаляционном режиме зарядового и фазового разделения. Внешнее магнитное поле сильно влияет на зарядовое и фазовое разделение, что приводит к колоссальному магнитоемкостному эффекту [19].
Выводы
Разработана и создана АМУ, реализующая комплексный метод, объединяющий несколько наиболее распространённых методов изучения магнито- и электроупорядоченных материалов в едином комплексном методе. Установка позволяет регистрировать акустооптические и магнитоакустические эффекты и проводить исследования магнитооптических, акустооптических, магнитоакустических свойств магнитных материалов, фотоэлектрические эффекты в сегнетоэлектриках, индуцированные фазовые переходы в кристаллах. На АМУ были проведены исследования различных эффектов и взаимодействий в антиферромагнетиках, манганитах и релаксорах, в ходе которых были получены оригинальные результаты.
Литература
1. Козырев Ю.Г. Гибкие производственные системы. Справочник [Текст] : справочное издание. Москва : КНОРУС, 2017. 364 с.
2. Ларионов А.С. Система автоматизированной обработки информации для контроля производственных процессов // Молодежный научно-технический вестник. 2015. №4. С. 23.
3. Костюков В.Н. Автоматизированные системы контроля качества и диагностики / В.Н. Костюков, А.П. Науменко. Омск: ОмГТУ, 2007. 89 с.
4. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. Изд-е 2-е, испр. М.: «Техносфера», 2007. С.248.
5. Мигачев С.А., Садыков М.Ф., Иванов Д.А., Шакирзянов М.М. Экспериментальная установка для исследования акустооптических процессов в магнитных материалах // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2010. №5-6. С. 71-77.
6. Migachev S.A., Sadykov M.F., Ivanov D.A., Shakirzyanov M.M. An automated facility for studying acousto-optical phenomena in magnetic materials // Instruments and Experimental Techniques. -2011. - V. 54. - №4. - P. 590-592.
7. Автоматизированная установка для исследования магнитного акустооптического взаимодействия в антиферромагнетиках: пат. 131227 Рос. Федерация: МПК G09B 23/18/ Садыков М.Ф., Мигачев С.А., Шакирзянов М.М., Иванов Д.А., Закиева Р.Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "КГЭУ". - № 2013114625/28; заявл. 01.04.2013; опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22 - 13 с.
8. Иванов, Д.А. Комплексный метод и автоматизированная сканирующая установка для исследования магнитоакустооптических взаимодействий: дисс. ... канд. техн. наук 05.11.13 [Текст]: Казань, 2012. — 116 с.
9.Садыков, М.Ф. Электрические, магнитооптические и магнитоакустические эффекты в магнитном полупроводнике a-Fe2O3. дисс. ... канд. физ.-мат. наук 01.04.10 [Текст]: Казань, 2002. — 106 с.
10. Мигачев С.А., Садыков М.Ф., Шакирзянов М.М. Поворот плоскости поляризации и линейное двупреломление звука в гематите ниже точки Морина // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. № 4. С. 663-666.
11. Akhmadullinl.Sh., Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Temperature Hysteresis and Anomalous Behavior of Sound velocity in Hematite near the Reorientation Phase Transition // The Physics of Metals and Metallography. 2005. Т. 100. № SUPPL. 1.
12. Migachev S.A., Sadykov M.F.,Shakirzyanov M.M. Magnetic Sound Birefringence in the Easy-Axis Antiferromagneta-FE2O3 // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006. Т. 300. № 1.С. 462464.
13. Ахмадуллин И.Ш., Мигачев С.А., Садыков М.Ф., Шакирзянов М.М. Магнитное двупреломление звука и магнитоакустические осцилляции в гематите // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 2. С. 305-307.
14. Ахмадуллин И.Ш., Мигачев С.А., Садыков М.Ф., Шакирзянов М.М. Проявление базисной анизотропии и механических граничных условий в магнитном двупреломлениизвука в гематите // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 3. С. 506-508.
15. Мигачев С.А., Садыков М.Ф., Шакирзянов М.М. Акустооптическая дифракция в гематите, обусловленная магнитоупругой модуляцией поляризации оптических мод // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88. Вып. 1. С .54-58.
16. Akhmadullin I.Sh., Golenishchev-Kutuzov V.A., Migachev S.A., Sadykov M.F. Investigation of the Cotton-Mouthon Effect in ana-Fe2O3 Easy-Plane Antiferromagnet // The Physics of Metals and Metallography. 2002. Т. 93. № SUPPL. 1., p. 111-113.
17. Ахмадуллин И.Ш., Голенищев-Кутузов В.А., Мигачев С.А., Садыков М.Ф. Магнитное двулучепреломление света в гематите // Физика твердого тела. 2002. Т. 44. № 2. С. 321-324.
18. С.А. Мигачев, М.Ф. Садыков, М.М. Шакирзянов. Антиферромагнитная коническая рефракция упругих волн в гематите // Письма в ЖЭТФ 91, вып. 7, 2010. С. 372-374.
19. Мамин Р.Ф., Игами Т., Мартон Ж., Мигачев С.А., Садыков М.Ф. Гигантская диэлектрическая восприимчивость и магнитоемкостный эффект в манганитах при комнатной температуре // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86. № 10. С. 731-735.
Автор публикации
Садыков Марат Фердинантович - канд. физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрой «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: [email protected].
References
1. Kuznetsov V.A. The instrument is modular, automated measurement system / V.A. Kuznetsov, V.N. The Stroitelev, E.Yu. Timofeev and other; ed. by V. Kuznetsov. М.: Radio and communication, 1993. 304 с.
2. Kisurin A., Bespalenko D. Automation of measurements and control of electrical and nonelectrical quantities / Voronezh State Technical University» Voronezh, 2009.
3. Kostyukov V.N. Automated quality control and diagnostics systems / V.N. Kostyukov, A.P. Naumenko. Omsk: Omsk State Technical University, 2007. 89 p.
4. Oppenheim A., Schafer R. Digital signal processing. Ed. 2, М.: « Technosphere», 2007. P.248.
5. Migachev S.A., Sadykov M.F., Ivanov D.A., Shakirzyanov M.M. Experimental setup for the study of acousto-optical processes in magnetic materials // Proceedings of the higher educational institutions. Energy sector problems. 2010. №5-6. P. 71-77.
6. Migachev S.A., Sadykov M.F., Ivanov D.A., Shakirzyanov M.M. An automated facility for studying acousto-optical phenomena in magnetic materials // Instruments and Experimental Techniques. 2011. V. 54, №4. P. 590-592.
7. Automated installation for investigation of magnetic acousto-optic interaction in antiferromagnets: pat. 131227, Russian Federation. Sadykov M.F., Migachev S.A., Shakirzyanov M.M., Ivanov D.A., Zakieva R.R. Kazan state power engineering university. № 2013114625/28; 01.04.2013; pub. 10.08.2013, 13 p.
8. Ivanov D.A. Integrated method and automated scanning installation for the study of magneto-acousto-optic interactions: Diss. ... cand. tech. sciences 05.11.13. Kazan, 2012. 116 p.
9. Sadykov M.F. Electrical, magneto-optical and magnetoacoustic effects in the a-Fe2O3 magnetic semiconductor. diss. ... cand. phys.-mat. sciences 01.04.10. Kazan, 2002. 116 p.
10. Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Polarization plane Rotation and linear birefringence of sound in hematite below the Morin point // Physics of the Solid State. 2006. V. 48, № 4. P. 663-666.
11. AkhmadullinI.Sh., Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Temperature Hysteresis and Anomalous Behavior of Sound velocity in Hematite near the Reorientation Phase Transition // The Physics of Metals and Metallography. 2005. Т. 100. № SUPPL. 1.
12. Migachev S.A., Sadykov M.F.,Shakirzyanov M.M. Magnetic Sound Birefringence in the Easy-Axis Antiferromagnet a-Fe2O3 // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006. Т. 300. № 1.С. 462464.
13. Akhmadullin I.Sh., Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Magnetic birefringence of sound and magnetoacoustic oscillations in hematite // Physics of the Solid State. 2004. Т. 46. № 2. С. 305307.
14. Akhmadullin I.S., Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Manifestation of the underlying anisotropy and mechanical boundary conditions in magnetic duraluminium in hematite // Physics of the Solid State. 2005. V. 47, № 3. P. 506-508.
15. Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Acousto-optic diffraction in hematite, due to the magnetoelastic modulation of the polarization of the optical mod // JETP Letters. 2008. V. 88, Iss. 1. P.54-58.
16. AkhmadullinI.Sh., Golenishchev-Kutuzov V.A., Migachev S.A., Sadykov M.F. Investigation of the Cotton-Mouthon Effect in ana-Fe2O3 Easy-Plane Antiferromagnet // The Physics of Metals and Metallography. 2002. Т. 93, № SUPPL. 1., p. 111-113.
17. Akhmadullin I.S., Golenishchev-Kutuzov V.A., Migachev S.A., Sadykov M.F. Magnetic birefringence of light in hematite // Physics of the Solid State. 2002. V. 44, № 2. P. 321-324.
18. Migachev S.A., Sadykov M.F., Shakirzyanov M.M. Antiferromagnetic conical refraction of elastic waves in hematite // JETP Letters, V. 91, Iss. 7, 2010. p. 372-374.
19. Mamin R.F., Egami T., Marton Z., Migachev C.A., Sadykov M.F. Giant dielectric susceptibility and magnetocapacitance effect in manganites at room temperature // JETP Letters. 2007. V. 86, № 10. P. 731-735.
Author of the publication
Marat F. Sadykov - PhD in Physico-mathematical sciences, Associate Professor, Head of the Department of «Theoretical bases of electrical engineering» of Kazan State Power Engineering University (KSPEU). E-mail: [email protected].
Поступила в редакцию 28 октября 2018 г.
