G G G G G G G G ∂r ' ∂H (r ', t ) ∂H (r ', t ) ∂r ' = ⋅ = ∇H (r ') ⋅ ∂t ∂r ' ∂t ∂t
只有z方向分量
振 动 样 品 磁 强 计
检测线圈－感应电动势－磁矩
两个关于线圈的假设：（永远适用）
1. 检测线圈位置固定； 2. 样品沿固定方向（X或者Y）磁化。 感应电动势－磁矩－驱动方式－线圈位置的关系如下：
样品架 1
MPMS的磁矩检测系统
样品架 样品架
为什么要调节样品的中心位置
Straw-like
VSM、ACMS与MPMS的比较
VSM的作业题目
振 动 样 品 磁 强 计
振动样品磁强计的发展历史
VSM13
1956， G. W. van Oosterhout, Appl. Sci. Res., B6, 101-104 (1956) 1956， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 27, 548 (1956) 1959， S. Foner, Rev. Sci. Instrum., 30, 548-557 (1959) 1975， 被IEC(国际电工委员会)推荐为测量铁氧体材料 饱和磁化强度的标准方法之一 1960s，锁相放大技术(1930s)的使用 1980s，自动控制技术的广泛使用
ε(t)
电磁感应4
t t0 t1
冲 冲 磁 磁 电 电
击 击 强 强 动 动
法 法 计 计 法 法
感应（测量发电机）法 感应（测量发电机）法
电 子 积 分 器、数 字 积 分 器
各种自动直流磁性测量仪器 各种自动直流磁性测量仪器
测量线圈与信号检测
各种磁强计
冲 击 法
最具原理性的磁性测量方法
冲击法1
B ( H , T , t , Z ) = H + 4πM ( H , T )ຫໍສະໝຸດ ⋅ ξ ( Z ) 1. 均匀磁场：
2. 样品提拉系统： ξ ( Z ) = 1 3. 信号采集系统： 4. 测量控制系统
1 M (H ,T ) = 2K
ξ (Z ) = 0
∆φ = 2 K ⋅ M ( H , T )
∫ ε dt
超导量子干涉器件SQUID
SQUID：
Superconducting QUantum Interference Device
利用环境磁场对 Josephson 结中两个超导体的电 子波函数位相的调制作用，实现对环境磁场的测 量。一般有DC SQUID（双或者多Josephson结） 和RF SQUID（单Josephson结）两种类型。
磁性测量中的几个问题 第三部分：现有设备
VSM的鞍区和镜像效应 MPMS的样品安装与弱信号测量 PPMS_ACMS的问题讨论
磁性测量讲座2007年
磁学国家重点实验室
重 点
• 原理：电磁感应原理 • 设备：测量线圈与信号检测 • 操作：样品位置与样品安装 • 注意：超导磁体的残余磁场 • 故障：解决方法
电 磁 感 应 原 理
Faraday Law of Electromagnetic Induction
电 磁 感 应 原 理
磁通量 Φ
电磁感应1
面积 A
K K Φ = ∫ B ⋅ dS
S
K K ∂D ∇ × H = j0 + ∂t
K ∇ ⋅ D = ρ0 K K ∂B ∇×E = − ∂t K ∇⋅B = 0 K
为什么要振动样品？ 磁偶极子的方向：？
振 动 样 品 磁 强 计
检测线圈－感应电动势
Z
VSM4
ae
j ωt
a f(ω)
G G G r '(t ) = r + ae jωt k G G G jωt = xi + yj + ( z + e )k
设线圈面积为S，匝数为N
N
感应电动势 感应电动势
G G ∂Φ ∂H (r ', t ) G ε (t ) = − = − µ0 ∑ ∫ ⋅ dS S ∂t ∂t i =1
PPMS_ACMS原理
• 直流磁性测量－提拉法 • 交流磁化率的测量
M
dM ( H , T ) χ= dH
H
M AC ( H DC , T , f , t , hAC ) = χ AC ⋅ hAC sin ωt
ω ≠0 ω =0
ACMS原理
χ ' = χ cos ϕ χ = χ '2 + χ "2 ⇔ χ " = χ sin ϕ ϕ = arctan( χ " / χ ' )
一般来说，厂家给出的灵敏度无法在实际中达到。？
VSM21
影响信号检测的因素： 1、仪器本身的计量性能；2、样品架的本底信号
dφ Vx = dt
Vx = kM m
尽量减小样品杆的信号 尽量使样品杆质量均匀
不用线圈如何？
9 使用磁场（自由空间磁通）传感器？ 完全可以！ ？ 必须解决的问题： 1. 能够扣除磁化磁场等杂散磁场的影响 2. 必须可以即时响应磁通的变化 3. 必须能够对磁矩进行定标 4. 必须有满足测量要求的灵敏度
提 拉 样 品 磁 强 计
ESM的原理：积分式磁强计 ε
－
ESM1
dΦ ε (t ) = dt
+
t
0 t0 2t0
1. 1. 提拉速率：高 提拉速率：高 2. 2. 使用积分器 使用积分器 3. 3. 磁矩定标： 磁矩定标：Ni Ni 4. 4. 灵敏度低于 灵敏度低于VSM VSM 5. 5. 开路测量 开路测量
H线圈
冲击检流计
dα dα J 2 +ρ + wα = B0 ANi dt dt
2
J为转动惯量，α为偏转角， ρ为阻尼系数 w为扭转系数，B0为磁感应强度， A和N为面积和匝数，i为瞬时电流
样品
B线圈
冲 击 法
应尽量满足的条件－灵敏度
1. 1. 脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动： 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。 电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。 2. 2. 检流计处于临界阻尼状态； 检流计处于临界阻尼状态； 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。 检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。 3. 3. 被测磁通应尽量为瞬时变化： 被测磁通应尽量为瞬时变化： 非瞬时变化引入很大的误差。 非瞬时变化引入很大的误差。 4. 4. 线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在 10 倍以上。 一般在 10 倍以上。 5. C 5. 需要测定冲击检流计的冲击常数 需要测定冲击检流计的冲击常数 C Φ Φ 使用互感系数 M 已知的互感线圈。 使用互感系数 M 已知的互感线圈。
冲击法2
冲击法的使用
• 教学演示实验：电磁感应定律 • 工业：发电机 • 工业：磁体的磁性能测量
迴线仪：永磁材料的永磁性能检测 中国计量科学研究院
HG－500
美国KJS公司
德国Magnet－Physik公司
NIM－2000系列
Permagraph系列
VSM的设计理念
• 为什么要振动样品？ • 为什么要使用双线圈？四线圈？ • 为什么要调节鞍区？ • 为什么要定标磁矩？
检测磁矩的最终表达式
感应电动势
ε (t ) = Em cos ωt
VSM6
电压有效值
Vx = kM m
必须满足的条件：（确保永远适用）
1. 检测线圈尺寸、位置固定； 2. 样品沿固定方向（X或者Y）磁化； 3. 4. 样品尺寸与线圈位置：满足磁偶极子条件 有足够大的“鞍点区”
VSM的灵敏度
灵敏度：取决于最小量程
磁通量 Φ
K K Φ = ∫ B ⋅ dS
S
1. 1. 如何产生变化的磁通 如何产生变化的磁通 2. 2. 如何测量变化的磁通 如何测量变化的磁通
电 磁 感 应 原 理
必须明确的几个问题
1 、变化的磁通 1 、变化的磁通 2 、检测线圈 2 、检测线圈 3 、磁矩定标 3 、磁矩定标
电磁感应3
电 磁 感 应 原 理
提 拉 样 品 磁 强 计
ESM的构成
∆φ = ∫
S
ESM2
G G G G B( H 2 , T2 , t 2 , Z 2 ) ⋅ dS − ∫ B ( H1 , T1 , t1 , Z1 ) ⋅ dS
S
其中， B ( H , T , t , Z ) = H (t , Z ) + 4πM ( H , T , t , Z )
VSM5
G G G 3M m µ 0ω ∂[∇f Z (r )] 2 j 2ωt j ωt + ... ε (t ) = − dS ⋅ ∇f Z (r )ae + ae ∑ ∫ S ∂Z 4π i =1
N
G xz 式中 f Z (r ) = 5 , 为检测线圈位置函数 r
振 动 样 品 磁 强 计
SQUID 1
MPMS－7型超导量子磁强计介绍 M P M S － 7
MPMS MPMS只是超导量子磁强计的一种 只是超导量子磁强计的一种
System Measurement Properties Magnetic
最大磁场：7特斯拉
检测 1
MPMS-7型超导量子磁强计介绍
纵向探测系统：Longitudinal Moment Detection System
χ = χ DC
χ′′ > 0
超导量子磁强计
Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer (SQUID Magnetometer)