振动样品磁强计(VSM)实验报告

振动样品磁强计(VSM)实验报告

实验目的：

1、掌握振动样品磁强计的基本原理、结构，了解其使用方法

2、掌握磁性样品的起始磁化曲线和磁滞回线的测量，了解由此分析材料磁性参数的方法

仪器工作原理：

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。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，这是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的方法。

振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer）是基于电磁感应原理制成的仪器。VSM是一种高灵敏度的磁矩测量仪器，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m的磁偶极子，使样品在某一方向做小幅振动，用一组互相串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度。用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩。

由于测量线圈中的感应信号来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场，那么位于坐标原点O的磁偶极子在空间任意一点P产生的磁场可表示为：

H⃗⃗⃗ (r⃗ )=−1

4π(M m

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

r3

−3(M⃗⃗⃗ m∙r⃗ )

r5

r⃗ )

(1)

式中r=xi+yj+zk⃗，其中i、j、k⃗分别为x，y，z的单位矢量。若在距偶极子处的P点放置一匝面积为S的小测量线圈，则通过线圈的磁通量为：

ϕ=∫B⃗⃗ ∙dS⃗=μ0∫H(r⃗ )∙dS⃗

S

S

(2)

若偶极子沿着z轴做αe jωt简谐振动时，（a是振幅，ω为振动角频率），有

r

⃗ =xi +yj +(z +αe jωt )k ⃗ (3)

则偶极子磁场在N 匝线圈中激起的感应电动势为：

e (t )=−

ð∅ðt =−μ0∑∫ðH(r ⃗ ,t)ðt ∙dS ⃗ S N i (4)

因样品沿着x 方向磁化，且线圈截面较小时，可用线圈中间的性质代表每匝线圈的平均性质，若线圈尺寸和位置固定不变，上式中积分式的数值是常数，故： e (t )=E m cos ωt

(5)

振幅Em 与样品磁矩成正比。因而线圈输出电压的有效值Vx 正比于样品的磁矩测量方程：

V x =kM m (6) 其中，Vx 为线圈输出电压的有效值；Mm 为样品的磁矩；k 为振动样品磁强计的灵敏度，可由比较法测定，又叫振动样品磁强计的校准或定标。比较法是用饱和磁化强度已知的标准样品（如高纯镍球样品），若已知标样的质量为m s 0,校准时振动输出信号为Vs :

V s =km s 0σs0

(7)

则有：

k =

V s m s0σs0 (8)

校准后，将质量为mx 的被测样品替换标准样品。在振动输出为Vx 时，样品的比磁化强度为：

σ=

V x kM m =m s0σs0m x V s V x

(9)

为了确保样品符合磁偶极子条件，使测量结果更符合于理论的计算，样品到线圈的中心间距r 与样品磁化方向的长度l 之间应满足r 2≫(l 2)2。在(l 2)2不大于

r2的1%时，l

。则l≈2mm时，r=10mm。在测量线圈横截面内磁场平均值可5

用中心点磁场表示的近似下，线圈的直径要非常小，如内径不超过5 mm。两个测量线圈的总匝数必须一样，约为1000 匝。考虑到线圈中的感应电动势在样品所处的磁场中心位置附近有个非敏感区（鞍点区），线圈与样品的距离也要满足一定条件。减小线圈间的距离可使测量线圈的输出信号增大，但鞍点区将缩小。如果采用四线圈制探测时鞍点区比双线圈大些，但灵敏度会降低。

在对称双线圈串联反接的结构中，线圈中的感应电势对样品所处磁场区中心位置附近，有一个“鞍点区”，即x方向信号最小，y、z方向信号最强，其中x 方向平行于磁场方向。当对称双线圈结构的轴线间距为22毫米时，对中点的x、y、z三个方向各偏离1毫米的输出电压变化，都不大于1%。由于振动样品磁强计测得的是相对信号而不是绝对信号，所以每次使用前必须对仪器进行定标。通过对标准样品的测量得到比例系数，从而才能确定待测样品的磁学参数。

实验装置：

我们使用的是LakeShore 公司的7304 型振动样品磁强计。它由以下几部分组成（如图）：振动系统，电磁铁，电磁铁控制装置，温度控制装置，高斯计，稳压电源，循环水制冷系统。

振动样品磁强计结构图

实验内容：

1）熟悉7304 型VSM 的装置结构。了解VSM 的开机过程。

2）学习控制软件的使用。了解测试参数的设定方法。

3）VSM 的定标。用于定标的标准样品是一个Ni小球（纯度为99.996%），已知在外加磁场为5kOe 时，磁化强度M 为6.92 emu。

4）我们的测试样品为Fe 纳米线阵列样品，为4 X 4 mm 的薄膜样品。由于该样品在几何参数上的特殊性，显然具有磁各向异性，我们需要对该样品进行两个方向的磁测量，即平行于膜面和垂直于膜面。

5）同样的方法安装样品。调节样品的位置，使之平行于膜面或垂直于膜面。根据样品的磁学性质，编写合适的测试程序。

6）运行测试程序，得到样品在一个方向的起始磁化曲线和磁滞回线。转动样品杆90 度，再次运行测试程序，得到另一个方向的起始磁化曲线和磁滞回线。7）从实验曲线中确定饱和磁化强度Ms、矫顽力Hc、剩磁Br，并分析样品在两个方向所测得实验曲线为什么不同。思考在测试过程中可能产生测量误差的地方。仪器基本操作:

1.开机

a) 打开总开关，即墙上开关盒里左边三个扳钮

b) 打开空气开关。千万注意：红为开绿为关。

c) 打开水箱。在水箱左侧。

d) 打开三相稳压电源。在箱子的正面左下角（蓝色扳钮）。打开后，若箱子正面的三个电压表都显示220V则正常。

e) 打开220V稳压电源。在箱子后面（黑色按钮），电压表显示220V则正常。

f) 打开主机。在主机正面靠下的红色按钮。

g) 打开电脑。先开显示器，再开电脑主机。

h) Ctrl+Alt+Del，输入电脑密码（414403）。

i）打开软件。

j）电磁铁电流归零。

2.定标

a) 装上标准样品（镍球）

b) Ramp to 5000

c) Head drive On