CC BY
11ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 Серия: Физика Вып. 3 (21)
УДК 669.295.24
Влияние температуры отжига на структуру спектров шумов Баркгаузена в аморфном сплаве
Ре78Б12819№1
Л. В. Спивак, Н. Н. Мясников
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
В работе исследовано влияние температуры дорекристаллизационного отжига на эффект Баркгаузена в аморфном сплаве Ре^В^^Мь Показано, что такая термическая обработка приводит к увеличению числа скачков Баркгаузена без изменения амплитуды таких скачков. Вейвлет-анализ спектра шумов Баркгаузена позволил выявить тенденцию к изменению частотно-временных характеристик шумов Баркгаузена.
Ключевые слова: аморфный, ферромагнетизм, домены, намагниченность, шум.
1. Введение
Эффект Баркгаузена для исследования магнитной структуры кристаллических и аморфных ферромагнитных материалов широко применяется в различных научных постановках [1-10]. Показано, что нагрев аморфных сплавов на основе железа ниже температуры расстеклования вносит заметные изменения в их магнитные характеристики и, как следствие, в характеристики эффекта Баркгаузена [11-13]. После отжига при температуре выше 400°С по данным электронной микроскопии фиксируется возникновение нанодисперсных кластеров. При более низких температурах отжига электронная микроскопия и другие методы исследования, такие как рентгеноструктурный анализ, дифференциальная калориметрия, спектрально-энергетические методы, оказываются малоинформативными при анализе происходящих в сплавах изменений.
В связи с этим несомненный интерес представлял анализ структуры шумов Баркгаузена после дорекристаллизационного нагрева аморфных сплавов с привлечением уже апробированного ранее (см.: [14]) метода вейвлет-анализа спектров шумов Баркгаузена. Результаты такого анализа представлены в настоящем сообщении.
2. Методика исследования
Объектом исследования являлась лента аморфного сплава (АМС) Fe78Bl2Si9Nil толщиной 30 мкм и длиной 30-50 мм. Отжиг образцов осуществлял-
ся в вакууме 10-3 мм рт.ст. в течение 15 мин. Намагничивание исследуемого образца (детали методики см.: [13]) осуществляли накладным электромагнитом - катушкой, генерирующей переменное магнитное поле амплитудой 100 А/м с частотой 100 Гц. Перемагничивание в объеме образца считается однородным. Магнитный поток, создаваемый скачками Баркгаузена (СБ), индуцировал в измерительной катушке ЭДС. Сигнал с измерительной катушки через усилитель подавался на вход цифрового осциллографа. Частота дискретизации сигнала — 160 кГц (160 точек в 1 мс.).
При вейвлет-анализе полученных данных в качестве материнского использовался вейвлет Морле (см.: [там же]). Вейвлет-анализ шумов Баркгаузена (ШБ) проводили с помощью программного пакета "Wolfram Mathematica 8.0". Для получения амплитудного распределения СБ использовалось специальное программное обеспечение.
Для каждого режима отжига отбиралось по три образца. На каждом таком образце снималось 3-5 спектров ШБ. Погрешность экспериментов в первую очередь была обусловлена неоднородностью исследуемого материала и не превышала 10%.
3. Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 1 и 2 представлены некоторые осциллограммы в образцах, подвергнутых отжигу при различных температурах. Амплитуды ЭДС единичных СБ распределены таким образом, что образуют спектр значений ЭДС СБ, отвечающий
© Спивак Л.В., Мясников Н.Н., 2012
наложению разноименного внешнего магнитного поля.
Рис. 1. Осциллограмма СБ после отжига при 200 °С
В этом спектре можно выделить три области: область гигантских СБ в центре и две прилегающие к ней боковые с амплитудами скачков, заметно отличающимися от максимальной величины. Для аморфных сплавов в исходном состоянии характерны узкие, в достаточной степени симметричные (близкие к гауссовскому распределение) пики.
Рис. 3. Число скачков N в зависимости от величины ЭДС СБ. 1 - исходное состояние; 2 - после отжига при 200°С; 3 -после отжига при 300°С; 4 - после отжига при 400°С
Как следует из представленных на рис.3 данных, температура отжига не повлияла на максимальное значение ЭДС СБ в спектре, тогда как число скачков увеличилось с повышением температуры отжига выше 300 °С (см. рис. 4).
soo -
Рис. 2. Осциллограмма СБ после отжига при 400 °С
С увеличением температуры отжига спектр ШБ усложняется и наблюдается тенденция к возникновению нескольких критических стартовых значений внешнего магнитного поля, запускающих процесс переориентации векторов спонтанной намагниченности и движение границ доменов (см. рис. 2).
Эти процессы в близких по составу аморфных ферромагнитных сплавах в иной постановке эксперимента были исследованы в работах [11-13]. В них было показано, что огибающая спектра потока СБ расщепляется после отжига таких сплавов при температуре выше 450 °С. После отжига при более низких температурах такой эффект не зафиксирован. Считается, что это явление обусловлено возникновением в аморфной структуре при высоких температурах ультрамелкодисперсных образований нанометрического размера. Такие кластеры могут в дальнейшем служить зародышами кристаллизации при расстекловании.
250 -J-.-.-
0 100 200 300 400 500
T, 'С
Рис. 4. Влияние температуры отжига на
суммарное число СБ
Результаты вейвлет-анализа ШБ (см.рис.5 и 6) представлены в виде вейвлет-плоскости (ВП), на которой по оси абсцисс отложено время в единицах шага dt между последовательными измерениями ЭДС ШБ, по оси ординат — обратная частота s (см.: [13]).
Узор на ВП имеет вид локализованных (ограниченных) образований. Временной интервал, в котором локализовано такое образование, достаточно хорошо совпадает с интервалом, в котором происходит перемагничивание образца.
В структуре узора можно выделить следующие элементы: средне-низко интенсивная рябь ("рябь" не видна из-за малых размеров рисунка); область ряби имеет довольно чёткую «границу»; высокоинтенсивные хорошо локализованные ядра (или полосы); средне-низко интенсивное гало, простирающееся в область низких частот (НЧ). Граница гало просматривается довольно чётко. На ВП отожжённых при 400°С образцах гало отсутствует.
90
Л. В. Спивак, Н. Н. Мясников
{1- ) {2: I {3,1 {4. I 15, 1 [6, I
I
0 100 200 300 400 500 Рис. 5. Вид вейвлет-плоскости у образцов АМС после отжига при 200 °С
Порядок расположения указанных элементов на ВП одинаков для всех картин (от высоких частот к низким): рябь - ядро - гало (если есть). (1. U
{2. I
{3. 1 {4> I {5, 1
[6, I
1
т
*
.
0
100
200 300
100
500
изменениями магнитной структуры сплава. Вероятнее всего, с отжигом меняется композиционный и топографический ближний порядок в расположении атомов аморфного сплава, что сказывается на движении доменных стенок.
Таблица 1. Параметры спектра ШБ
Температу- fH, fj, AU,
ра отжига, оС кГц кГц кГц
20 10.3 0.37 9.93
200 98.0 3.50 94.5
300 95.8 3.34 92.5
400 90.9 2.33 88.6
Характерные для узора "ядра" обладают наибольшей среди прочих элементов интенсивностью. Их особенностью является присущая им частота (или занимаемая ядром полоса частот), что даёт основания введения новой - частотно-временной характеристики спектра ШБ.
Таблица 2. Параметры спектра ШБ
Рис. 6. Вид вейвлет-плоскости у образцов АМС после отжига при 400°С
С увеличением температуры отжига форма образования на ВП меняется (см. рис. 6): рябь растягивается из области высоких частот (ВЧ) в область средних частот (СЧ), ядра увеличиваются в размерах и из области СЧ смещаются в область НЧ, гало исчезает.
Для описания спектра ШБ в вейвлет-преобразовании предлагается использовать следующие параметры:
/ - НЧ-граница образования; /н - ВЧ-граница образования; АН - полоса частот, занимаемая образованием; /кл - средняя частота ядра; /к - средняя величина полосы частот, занимаемая ядром;
тА - средняя продолжительность процессов в ядре.
Усреднение проводится по циклам перемагничивания, для /кл, /к, тА — ещё и по ядрам.
Некоторые данные представлены в табл. 1 и 2 Наличие у частотно-временного узора определённой структуры, общие особенности которой одинаковы для всех ВП, а конкретные элементы узора связаны с состоянием образца, позволяет утверждать, что изменения в спектре ШБ отражают особенности происходящих в АМС превращений. Поскольку свойства (параметры) СБ зависят от магнитной структуры материала, можно говорить о том, что изменения спектра связаны с
Температура отжига, оС Характеристики высокоинтенсивных ядер
fH, кГц fL, кГц AfHL, кГц
20 10.3 0.37 9.93
200 98.0 3.50 94.5
300 95.8 3.34 92.5
400 90.9 2.33 88.6
Форма границы характерных для ВП образований при отжиге изменяется вследствие изменения характера распределения
интенсивности (амплитуды вейвлет-коэффици-ентов) с частотой. С увеличением температуры отжига эти отличия только усиливаются. Числовые параметры спектра изменяются более сложным образом. Наблюдаемые различия в характере распределения интенсивности у исходного и отожжённого на 400 °С образцов косвенно свидетельствуют о глубоком изменении магнитной структуры материала при высокотемпературном отжиге.
После отжигов спектры ШБ изменяются в сторону увеличения характеризующих их значений (см. табл. 2, в которой приведена обратная средняя протяженность ядра та). Степень увеличения неодинакова и уменьшается с ростом температуры отжига. После отжига при 200°С все характеристики отличаются от исходных примерно на порядок. После более высоких
температур отжига характеристики ВП как целого также отличаются примерно на порядок, а характеристики ядер - примерно в 2.5-4 раза. То есть изменения имеют близкий порядок величин. Возможной причиной подобного поведения значений параметров спектра ШБ может быть некое превращение, происходящее в АМС при 200 °С. С другой стороны, оно может быть обусловлено суммарным эффектом от протекания в АМС нескольких процессов, что косвенно подтверждается наличием на некоторых ВП нескольких ядер.
Таким образом, использование ВА для исследования ШБ позволило ввести новую -частотную характеристику СБ и обнаружить сильные изменения спектрального состава сигнала ШБ при отжиге материалов в дорекристаллизационном интервале температур.
4. Выводы
Применение вейвлет-анализа спектра шумов Баркгаузена обеспечило возможность выявить изменения магнитной структуры ферромагнитных аморфных сплавов в низкотемпературном дорекристал-лизационном интервале температур отжига.
Существует определенная корреляции между частотно-амплитудными характеристиками и структурой элементов вейвлет-плоскости в спектрах шумов Баркгаузена.
Предложена частотно-временная характеристика при описании процессов перемагничивания в ферромагнитных аморфных сплавах.
Список литературы
1. Горкунов Э.С., Драгошанский Ю.Н., Миховски М. Эффект Баркгаузена и его использование в структуроскопии ферромагнитных материалов // Дефектоскопия. 1999. № 8. С. 3-25.
2. Durin G., Zapperi S. Barkhausen noise in soft amorphous magnetic materials under applied stress //Journal of Applied Physics. 1999. Vol. 85, N 8. P. 5196-5198.
3. .Durin G., Zapperi S. Universality and size effects in the Barkhausen noise // Journal of Applied Physics. 2000. Vol. 87, N97. P. 7031-7033.
4. Горкунов Э.С., Драгошанский Ю.Н., Миховски М. Эффект Баркгаузена и его использование в струк-туроскопии ферромагнитных материалов // Дефектоскопия. 2000. № 6. С. 3-38.
5. Cengia L., Kovac F. Influence of annealing and hy-drogenation-dehydrogenation processes of internal stresses and barkhausen noise of Fe83B17 amorphous alloy //Journal of materials science. 2001. Vol. 36. P. 4125-4129.
6. Горкунов Э.С., Шулика В.В., Лаврентьев А.Г. и др. Эффект Баркгаузена в сплавах с аморфной и нанокристаллической структурой //ДАН. 2002. Т. 386, № 4. С. 468-470.
7. Eszenyi G., Szabo S.Yarasztosi L. at all Barkhauzen-noise and mechanical sensitivity in finemet-type materials //Journal of Electrical Engineering. 2008. Vol. 59, N. 7. P. 66-69.
8. Colarioi F. Exactly solvable model of avalanches for Barkhausen crackling noise //Advances of Physics. 2009. February 18.. P.1-91.
9. Laurson L., Mughal A., Durin G .at all Modeling domain wall dynamics in thin magnetic strips with disorder //IEEE Transactions on Magnetics. 2010. Vol.46. P. 262-265.
10. Носкова Н.И., Шулика В.В., Лаврентьев А.Г. и др. Влияние условий нанокристаллизации на структуру и магнитные свойства аморфных сплавов на основе Fe и Co // ФММ. 2005. Т. 100, №6. С. 3441.
11. Носкова Н.И., Шулика В.В., Лаврентьев А.Ги др. Особенности структуры и параметров эффекта Баркгаузена аморфных сплавов после различных термических обработок // Дефектоскопия. 2004. № 9.С. 63-68.
12. Носкова Н.И., Шулика В.В., Лаврентьев А.Г. и др. Особенности структуры и магнитные свойства аморфных сплавов на основе железа и кобальта в зависимости от условий нанокристаллизации // ЖТФ. 2005. Т. 75, вып.10. С. 61-65.
13. Спивак Л. В., Мясников Н. Н. Вейвлет-анализ спектров Баркгаузена в аморфном сплаве 78B12Si9Ni1 //Вестник Пермского университета. Сер.:Физика. 2012. Вып.1(19). С.62-65.
Influence of temperature annealing on structure of ranges noise Barkgauzen in amorphous alloy of Fe78B12Si9Ni1
L.V. Spivak, N. N. Myasnikov
Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm
In work influence of temperature of dorekristallizatsionny annealing on Barkgauzen's effect in an amorphous alloy of Fe78B12Si9Ni1 is investigated. It is shown that such thermal processing leads to increase in number of jumps of Barkgauzen without change of amplitude of such jumps. Veyvlet-analiz a range of noise of Barkgauzen revealed a tendency to change of time-and-frequency characteristics of noise of Barkgauzen. Keywords: amorphous, ferromagnetic, wavelete-analysis, Barkgauzen's effect.
