tìm hiểu về một số hệ đo từ độ thông dụng hiện nay

Lịch sử của từ học được bắt đầu từ khi người Trung Hoa cổ đại phát hiện ra cácđá từ thạch có khả năng định hướng Nam - Bắc, và có khả năng hút các vật bằng sắt.Nghiên cứu về từ học được

MỤC LỤC

3 Chương 1: Tổng quan về một số hệ đo từ độ thông dụng

1.1 Lịch sử phát triển của Từ học và vật liệu từ

1.2 Nguyên lý chung của một hệ đo từ độ

1.3 Một số kỹ thuật để tạo từ trường cao

1.3.1 Phương pháp Bitter1.3.2 Cuộn dây siêu dẫn1.3.3 Phương pháp tạo từ trường xung 1.4 Một số hệ đo từ độ thông dụng

1.4.1 Cân từ Faraday1.4.2 Hệ đo giật mẫu1.4.3 Hệ đo từ kế mẫu rung1.4.4 Hệ đo SQUID

Chương 2: Hệ đo từ trường xung

2.1 Cơ sở vật lý của quá trình phát từ trường xung cao

2.2 Nguyên lý hoạt động

2.3 Các đặc điểm kỹ thuật của hệ từ kế từ trường xung cao

2.4 Điều khiển nạp và phóng điện trong nguồn phát từ trường xung

cao

2.5 Một số phép đo ứng dụng của hệ từ trường xung

2.6 Thực hành đo mẫu Nd – Fe – B trên hệ PFM (Từ trường xung)

2.6.1 Hệ đo từ trường xung tại Viện Khoa học Vật liệu 2.6.2 Đo từ độ phụ thuộc từ trường

55688889991112

1313171719

2021

2123

4 KẾT LUẬN 26

Mở đầu

Lịch sử của từ học được bắt đầu từ khi người Trung Hoa cổ đại phát hiện ra các

đá từ thạch có khả năng định hướng Nam - Bắc, và có khả năng hút các vật bằng sắt.Nghiên cứu về từ học được mở ra vào thế kỷ 18 khi Girlbert viết cuốn sách về Điện và

Từ, sau đó là thí nghiệm về sự tương tác giữa từ trường và dòng điện của Oersted, cáccông trình của Ampere và Faraday Các nghiên cứu về từ học và các vật liệu từ pháttriển như vũ bão ở thế kỷ 20, và vật liệu từ đã thực sự được đưa vào ứng dụng rộng rãitrong cuộc sống và sản xuất

Các phép đo trên hệ từ trường cao cho biết khá nhiều thông tin quan trọng vềtính chất vật lý của vật liệu, nhất là vật liệu từ hiện đại Từ trường cao có thể phá vỡcấu trúc của các phân mạng từ trong một số vật liệu Các phép đo thực hiện trong từtrường cao có thể phát hiện một số hiệu ứng đặc biệt chẳng hạn như hiệu ứng lai hóavùng năng lượng của vật liệu chứa Uran dẫn đến dị hướng từ khổng lồ Từ trường caocòn có thể gây ra các chuyển pha từ trạng thái Femion nặng hoặc trạng thái siêu dẫnsang trạng thái thường và một số chuyển pha từ giả bền chỉ có thể thực hiện được tại từtrường có cường độ hơn 10 T Việc nghiên cứu vật liệu từ cứng chứa đất hiếm cũng rấtcần từ trường lớn để nạp từ cho các nam châm hoặc để đạt được một đường từ trễ đầy

đủ của chúng Tuy nhiên để có được nguồn từ trường tĩnh có cường độ trên 10 T lại làviệc không dễ dàng, nó cần có những phương tiện đắt tiền để tạo ra nguồn điện có nănglượng hàng MJ và công suất hàng MW cùng cuộn dây nam châm khổng lồ được làmlạnh đặc biệt bằng hệ cấp nước áp suất cao Tuy vậy, nó cũng chỉ tạo ra được từ trườngcực đại khoảng 20 T Bằng phương pháp tạo các từ trường xung, dựa trên nguyên tắcnạp điện cho bộ tụ điện năng lượng lớn rồi phóng điện rất nhanh qua cuộn dây namchâm điện cảm, có thể tạo ra các xung từ trường có biên độ lên tới hàng chục Tesla màtránh được những đầu tư đắt tiền Kỹ thuật từ trường xung có thể đáp ứng được yêu cầutạo ra các xung từ trường có biên độ trên 10 T trong khoảng thời gian tồn tại từ ms đến

1 s mà năng lượng chỉ cần cỡ vài chục kJ Có hai phương pháp tạo ra các từ trường

xung cao, là phương pháp phá hủy (destructive) và phương pháp không phá hủy (non

-destructive) Để tạo ra các xung từ trường có cường độ lớn hơn 100 T trong thời gian

cỡ µs người ta dùng phương pháp phá hủy, các đường sức từ bị nén lại do một cú nổtrước khi vách ngăn không gian chứa các đường sức đó và các vật bên trong bị vụ nổphá hủy hoàn toàn Phương pháp này được áp dụng cho hệ tạo từ trường phá hủy tạiphòng thí nghiệm Megagauss ở Viện Vật lý chất rắn, Đại học Tổng hợp Tokyo cho mộtxung từ trường lên tới 500 T, thời gian tồn tại 4 s trong không gian có đường kính 10

mm Phương pháp không phá hủy là dùng các cuộn nam châm gồm 1 vòng hoặc nhiềuvòng, cho dòng điện lớn phóng qua cuộn nam châm nhằm tạo ra trong lòng chúng một

từ trường xung cao có giá trị nhỏ hơn 100 T, các xung từ trường này dài từ vài ms đếnvài s Nguyên lý của phương pháp này được thực hiện thành công đầu tiên bởi Kapitzavào năm 1924 Ưu điểm của hệ từ trường xung là tạo ra được từ trường lớn để vừa xácđịnh được các tính chất vật lý của vật liệu, vừa nạp được từ cho nam châm mà khôngcần những phương tiện đắt tiền (có lợi về mặt kinh tế) Do vậy, không những ở nước ta

mà ngay cả các nước tiên tiến hiện nay đều xây dựng các trung tâm nghiên cứu sử dụng

từ trường xung cao Đề tài này tập trung tìm hiểu về một số hệ đo từ độ thông dụnghiện nay Bố cục được chia làm hai chương:

Chương 1: Tổng quan về một số hệ đo từ độ thông dụng

Chương 2: Hệ đo từ trường xung

Chương 1: Tổng quan về một số hệ đo từ độ thông dụng

1.2 Lịch sử phát triển của Từ học và vật liệu từ

Từ học là một ngành được ứng dụng trong cuộc sống con người từ rất sớm màđầu tiên là ở Trung Hoa và Hy Lạp cổ đại Ở Hy Lạp, lịch sử ghi nhận những đối thoại

về từ học giữa Aristotle và Thales từ những năm 625 đến 545 trước công nguyên songsong với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu (là những đá thiên nhiên) cho một số mụcđích khác nhau Ở phương Đông, Trung Hoa là nơi sớm nhất sử dụng các đá nam châmlàm kim chỉ nam để chỉ phương Nam-Bắc từ thời đại của Chu Công (thời đại nhà Chu,

1122 - 256 trước Công nguyên), và cuốn sách chính thức ghi lại việc sử dụng các đánam châm là cuốn Quỷ Cốc tử (thầy dạy của Tôn Tẫn) vào thế kỷ thứ 4 trước côngnguyên Alexander Neckham là người Châu Âu đầu tiên mô tả về la bàn và việc sử dụng

la bàn cho việc định hướng vào năm 1187 Vào năm 1269, Peter Peregrinus deMaricourt viết cuốn Epistola de magnete, được coi là một trong những luận thuyết

đầu tiên về nam châm và la bàn Năm 1282, các tính chất của các nam châm và la bànkhô được thảo luận bởi Al-Ashraf, một nhà vật lý, thiên văn, địa lý người Yemeni

Cuốn sách khảo cứu chi tiết đầu tiên về các hiện tượng từ là cuốn De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure

(On the Magnet and Magnetic Bodies, and on the Great Magnet the

Earth) của William Gilbert xuất bản năm 1600 ở Anh Quốc Cuốn sách thảo luận về

nhiều thí nghiệm điện từ do ông xây dựng, đồng thời giả thiết về từ trường của Trái Đất,nguyên nhân gây ra sự định hướng Nam-Bắc của các la bàn Tương tác giữa dòng điện

và từ trường lần đầu tiên được phát hiện và mô tả bởi Hans Christian Oersted, một giáo

sư Đại học Copenhagen (Đan Mạch) Ông đã phát hiện ra việc kim la bàn bị lệch hướngkhi đặt gần một dây dẫn mang dòng điện Thí nghiệm này được coi là bước ngoặt tronglịch sử ngành từ học, và được đặt tên là Thí nghiệm Oersted Sau Oersted, hàngloạt các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm và các công trình nghiên cứu về mốiquan hệ giữa điện và từ trường như André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss,Michael Faraday dẫn đến việc hình thành những kiến thức cơ bản về từ học cũng như từtrường James Clerk Maxwell đã tổng hợp các lý thuyết về từ trường, điện trường, và

quang học để phát triển thành lý thuyết tổng quát về trường điện từ Vào năm 1905,Albert Einstein đã sử dụng những định luật này để xây dựng lý thuyết tương đối hẹp

Thế kỷ 20 cũng là thế kỷ mà từ học được phát triển mạnh mẽ từ việc tạo ra cácvật liệu từ đa chức năng, xây dựng các lý thuyết vi mô về hiện tượng từ dựa trên các lýthuyết của cơ học lượng tử và vật lý chất rắn như lý thuyết vi từ học, lý thuyết về đômen

từ, vách đômen, vật liệu sắt từ, tương tác trao đổi, phản sắt từ, Đi kèm với nó là sựpháttriển của nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ và đo đạc các tính chất từ của vật liệu.Cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, ngành mới spintronics ra đời dựa trên những thành tựucủa từ học và điện tử học

1.2 Nguyên lý chung của một hệ đo từ độ

Một hệ từ kế bất kỳ đều bao gồm hai khối: khối phát từ trường và khối đo lường cácthông số của vật liệu đặt trong từ trường đó, như sơ đồ hình 1

Buồng đo chứa mẫu đặttrong vùng từ trường

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của một từ kế.

Khối phát từ trường gồm các cơ cấu điều khiển quá trình tích lũy và chuyển hóacác nguồn năng lượng (Ví dụ: năng lượng nguồn điện thành phố, năng lượng do một vụ

nổ sinh ra ) thành năng lượng từ có độ lớn cần thiết trong một không gian có thể tíchxác định Mẫu vật liệu được đặt trong không gian đó Khối đo gồm các cảm biến cónhiệm vụ biến đổi các thông số cần đo của mẫu (thí dụ từ độ) thành các tín hiệu điện tỷ

lệ rồi đưa vào bộ xử lý tín hiệu Trong các từ kế hiện đại hầu hết các quá trình điềukhiển và đo lường kể trên đều được xử lý bằng máy tính qua các chương trình phần

Khối phát từ trường

Cơ cấuchuyểnhóa nănglượng

Bộ cảm biến

Thu thập và

mềm Các tín hiệu thường được số hóa và được xử lý số nhằm nâng cao độ tin cậy vàtính linh hoạt của hệ đo.

Độ từ hóa hay từ độ (Magnetization) được xác định bằng tổng mômen

từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ, hoặc tổng mômen từ trên một đơn vịkhối lượng Từ độ là một đại lượng véctơ Từ độ có cùng thứ nguyên với cường độ từtrường, được liên hệ với từ trường qua hệ số từ hóa (hay còn gọi là độ cảm từ của vậtliệu, ký hiệu là χ):):

M = χ):H

Khi đo từ độ theo sự biến thiên của từ trường thì thu được đường cong từ trễ Từ

trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo

từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ dư của các vật liệu sắt từ Hiện tượng từtrễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (từ độ phụ thuộc từ trường M(H)hay cảm ứng từ phụ thuộc từ trường B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa một vậtsắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiềungược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đườngkhác Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ cómột đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ Từ độ bão bòa là giátrị từ độ đạt được khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dịhướng) sao cho vật ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn songsong với nhau Khi đó đường cong từ trễ M(H) có dạng nằm ngang Từ độ bão hòa làtham số đặc trưng của vật liệu sắt từ Nếu ở không độ tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ

độ tự phát của chất sắt từ Từ độ bão hòa thường được ký hiệu là Ms hoặc Is

Nguyên tắc chung của phép đo từ độ là đo sự biến đổi của mômen từ hoặc cảmứng từ theo sự thay đổi của từ trường Từ trường đặt vào được biến đổi theo một chutrình (từ giá trị 0 đến giá trị cực đại, sau đó giảm dần và đổi chiều đến từ trường ngượchướng, và lại đảo trở lại giá trị cực đại ban đầu)

1.3 Một số kỹ thuật để tạo từ trường cao

1.3.1 Phương pháp Bitter

Phương pháp Bitter hay nam châm Bitter sử dụng cuộn dây cuốn trên nhữngđĩa kim loại mỏng tách biệt có các lỗ tròn bán kính khác nhau được ép với nhau Cấutrúc như vậy cho phép làm lạnh được nam châm khi có dòng điện lớn chạy qua do đótăng được dòng điện, dẫn đến tăng được từ trường H Dùng phương pháp này từ trường

có thể đạt tới  100 kOe (10 T) Đường kính của cuộn dây rất lớn 0,5  1 m và côngxuất tiêu thụ điện năng lớn từ 2,5 đến 10 MW

1.3.2 Cuộn dây siêu dẫn

Cuộn dây siêu dẫn có thể cho dòng điện lớn chạy qua liên tục (do điện trở ởtrạng thái siêu dẫn R = 0) nên có thể tạo được từ trường lớn với các cuộn dây có kíchthước nhỏ Các cuộn dây siêu dẫn dùng để tạo từ trường hiện nay thường là hợp kimcủa Nb như Nb(Sn), Nb(Zr) hay Nb(Ti) Từ trường tạo bằng phương pháp này thườngđạt khoảng 50  100 kOe (5  10 T) Tuy nhiên, cũng cần phải lưu ý rằng các cuộndây siêu dẫn phải được duy trì ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn Tc.Thông thường phải dùng He lỏng có giá thành tương đối cao

1.3.3 Phương pháp tạo từ trường xung

Nạp điện cho một bộ tụ với điện thế cao, sau đó phóng điện qua cuộn dây trongthời gian ngắn cỡ vài chục ms do đó dòng điện qua cuộn dây rất lớn Nhờ vậy có thểtạo được từ trường lớn với cuộn dây có kích thước nhỏ và công suất tiêu thụ điện năngnhỏ Phương pháp này có thể tạo từ trường đạt tới vài trăm kOe (vài chục Tesla) Tuynhiên, từ trường chỉ tồn tại trong thời gian ngắn Phương pháp tạo từ trường xung và kỹthuật đo từ độ bằng từ trường xung được trình bày kỹ trong chuyên đề này

1.4 Một số hệ đo từ độ thông dụng

1.4.1 Cân từ Faraday

Nạp điện cho một bộ tụ với điện thế cao, sau đó phóng điện qua cuộn dây trong thờigian ngắn cỡ vài chục ms do đó dòng điện qua cuộn dây rất lớn Nhờ vậy có thể tạođược từ trường lớn với cuộn dây có kích thước nhỏ và công suất tiêu thụ điện năngnhỏ Phương pháp này có thể tạo từ trường đạt tới vài trăm kOe (vài chục Tesla) Tuynhiên, từ trường chỉ tồn tại trong thời gian ngắn Phương pháp tạo từ trường xung và kỹthuật đo từ độ bằng từ trường xung được trình bày kỹ trong chuyên đề này

Hình 2 Mô hình cân từ Faraday.

1.4.2 Hệ đo giật mẫu

Hệ đo giật mẫu (hay kéo đẩy) được biểu diễn trên hình 3 Khi từ thông xuyên qua thiếtdiện ngang của khung dây biến thiên theo thời gian thì hai đầu của khung dây sẽ xuấthiện một suất điện động cảm ứng E:

E(t) = d

dt

 : là từ thông qua thiết diện ngang của khung dây

Hệ đo từ bằng phương pháp kéo đẩy được thiết kế theo nguyên tắc của mối liên

hệ cơ bản này Nếu mẫu đo có momen từ M ở gần cuộn dây thu, sẽ có từ thông  điqua thiết diện ngang của cuộn dây Từ thông được sinh ra bởi mômen từ M trong mộtcuộn dây sẽ tương đương với một từ trường H (ở vị trí mômen từ M) được sinh ra bởicùng cuộn dây khi có dòng điện I chạy qua Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

H.M = I.

Mật độ từ thông đi qua thiết diện ngang của các cuộn dây thu (cuộn pick-up)thay đổi

Mẫu đo

Nếu M thay đổi, suất điện động E được biểu diễn: E = H dM

I dtTrong trường hợp M không đổi, vị trí tương đối giữa mẫu đo và cuộn pick-up

thay đổi theo thời gian, khi đó: E = M dH dr

I dr dtr: khoảng cách tương đối giữa mẫu và cuộn pick-up

dr

dt : vận tốc chuyển động của mẫu

G® = 1 dH

I dr là hàm độ nhạy phụ thuộc vị trí mẫu

Trong phương pháp này, mẫu đo được

từ hóa trong trường đồng nhất và được giật

nhanh qua các cuộn dây thu Tín hiệu điện E

của cuộn dây được đưa đến máy khuếch đại

tích phân Từ độ M của mẫu tỉ lệ với điện áp

ra U của bộ tích phân:

U = AEdt =A

i M[ Hz(x1) - Hz(x2)]

A là hằng số tỉ lệ

Hz(x1) và Hz(x2) là từ trường sinh ra do dòng cảm ứng i chạy trong cuộn dây thu

từ vị trí x1 đến vị trí x2 trong thời gian từ t1 đến t2

Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng và giá thành rẻ Nhưng nhược điểm của

nó là không đo được các đường đo liên tục nên số liệu rời rạc

1.4.3 Hệ đo từ kế mẫu rung

Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ Mẫu đo được gắnvào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi 2

Hình 3 Sơ đồ hệ đo giật mẫu.

Mẫu đo

cực của nam châm điện Mẫu là vật liệu từ nên trong từ trường thì nó được từ hóa (hình4)

Khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra xuyên quacuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệthuận với mômen từ M của mẫu theo quy luật cho bởi:

V 4..N.Sm.M

với M là mômen từ của mẫu đo, S m là tiết diện vòng dây, N là số vòng dây của cuộndây thu tín hiệu

Trong các từ kế mẫu rung phổ thông, người ta sử dụng 2 cuộn dây thu tín hiệu

đối xứng nhau, gọi là cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil) Tín hiệu của các cuộn thu

được khuếch đại bằng máy khuếch đại lọc tần nhạy pha

(a) (b)

Hình 4 Sơ đồ khối hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) (a), Ảnh chụp hệ đo từ kế mẫu rung

DMS880 tại ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (b).

Ưu điểm của phương pháp này là độ nhạy khá cao, tín hiệu đo liên tục nên sốliệu thu nhận được sẽ liên tục, dễ khuếch đại được tín hiệu và dễ dàng thay đổi nhiệt

độ Hệ đo từ kế mẫu rung (VMS) được dùng khá phổ biến trong các phòng thí nghiệm,máy có thể đo được đường M(H) và M(T) Nhược điểm chính của phép đo này là sai sốlặp lại lớn khi vị trí mẫu thay đổi giữa các phép đo, mặt khác giá trị đo cũng sẽ gặp sai

số nếu trong quá trình đo mẫu bị dao động theo các hướng vuông góc với hướng rung

do biên độ rung bị thay đổi

1.4.4 Hệ đo SQUID

SQUID (Superconducting Quantum Inteference Device) là thiết bị giao thoa kế lượng

tử siêu dẫn mà sơ đồ khối được mô phỏng trên hình 5 SQUID là một sensor đo tín hiệunhỏ, cấu tạo bởi 2 vòng nhỏ làm bằng chất siêu dẫn, cách qua 2 lớp tiếp xúc là lớp cáchđiện Cấu trúc này của SQUID cho phép đo dòng điện rất nhỏ (có thể đến dưới 10-12 A)hoặc có thể đo được một lượng tử từ thông (từ thông nhỏ nhất), và được sử dụng trong

từ kế độ nhạy cao Độ nhạy của từ kế SQUID rất cao

Hình 5 Sơ đồ khối hệ đo SQUID

Ưu điểm của từ kế SQUID là độ nhạy cao (có thể đo những chất có từ độ rấtbé), từ trường tạo bởi SQUID lớn, do từ kế SQUID thường có cuộn dây tạo từ trường

là cuộn dây siêu dẫn

Nhược điểm của từ kế SQUID là phải hoạt động ở nhiệt độ thấp (cuộn dây siêudẫn tạo từ trường hoạt động ở nhiệt độ thấp nên phải có Heli lỏng) do đó giá thành hoạtđộng cao, trong điều kiện Việt Nam đây là điều kiện khó thực hiện

Chương 2: Hệ đo từ trường xung 2.1 Cơ sở vật lý của quá trình phát từ trường xung cao

Đầu đo SQUID

Hệ thu

nhận dữ

liệu

Mạch điều khiển điện tử

H

Cơ sở thiết kế các cuộn dây nam châm của nguồn phát từ trường xung cao trên

20 T được xuất phát từ hệ phương trình Maxwell :

Hlà véc tơ cường độ từ trường có thứ nguyên [A/m]

J là véc tơ mật độ dòng điện có thứ nguyên [A/m2]

Dlà véc tơ điện dịch có thứ nguyên [C/m2]

)r có thể là các hàm phức tạp phụ thuộc vào toạ độ, còn  0 và 0 là các điện thẩm

và từ thẩm tương đối của chân không có giá trị là:  0 = 8,854.10-12 F/m và 0 = 4

.10-7 H/m Khi kích thước Ls của vùng cần khảo sát nhỏ hơn nhiều chiều dài bước sóng

rot H = J (7)

Áp dụng định lý Stock, tích phân phương trình trên đối với mặt S được bao bởiđường khép kín Ci có: