автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Магнитострикционные элементы магнитоакустическихпервичных преобразователей информации на основередкоземельных соединений

Р Г Б ОД

1 О АПР 1995 московский

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ. ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Заикин Александр Михайлович

Яагнитострикщонные элементы магнитоакустических первичных преобразователей информации на основе редкоземельных соединений

Специальность 05.13.05 - Элемента и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре Кибернетики Московского Государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета)

Научный руководитель - доктор' технических наук,

профессор, академик РАН, H.H.Евтихиев

Официальные оппоненты: Раев В.К., доктор технических наук, профессор Комаров Е.В., кандидат технических наук, доцент Ведущая организация - Московский государственный •

авиационный институт (Технический университет)

Защита состоится "_" _ 1995 года

на заседании диссертационного совета Д 063.54.01 Московского Государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) по адресу: 117454, пр-т Вернадского. 78

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке • МИРЗА.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 063.54.01 .

кандидат технических наук Хохлов Г. И.

J

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важными элементами систем управления и ав-эматизированного контроля являются первичные преобразователи или 1тчики различных величин, в частности, 'напряженности физических злей. Применение современных средств вычислительной техники для зработки информации, поступающей с первичных преобразователей, эуславливает возрастающие требования к техническим характеристикам 1ТЧИКОВ. В настоящее время для широкого класса научно-исследова-эльских промышленных установок, например, в технике сверхпроводя-ах систем, в ядерной энергетике, ускорительной технике и других Эластях, существует настоятельная потребность в измерительных дат-аках магнитных- полей. Необходимость обеспечения заданных характе-лстик контрольно-измерительных и управляющих систем таких устано-ок предъявляет высокие требования к параметрам датчиков магнитных элей, в первую очередь, к точности, чувствительности, помехозащи-енности. возможности проведения измерений в широком диапазоне маг-итных полей. Для ряда приложений, например, для исследования то-ограмм магнитных полей фокусирующих систем в ускорителях элемен-арных частиц немаловажным требованиями являются также возможности змерения сильно неоднородных полей, в том числе и в условиях ради-ционного воздействия на чувствительный элемент датчика. Особую ак-уальность в последние годы приобрело сопряжение ППИ с современными редствами вычислительной техники, задействованными в системах, реди высокочувствительных цифровых первичных преобразователей маг-итных величин, в большой степени удовлетворяющих указанным требо-аниям. перспективными являются магнитоакустические (МА) датчики, ринцип их действия основан на зависимости скорости звука в магне-ах от напряженности магнитного поля. Так на базе антиферромагнети-,ов с анизотропией типа "легкая плоскость" (АФЛП), в частности, ристаллов гематита /а - Ре203/ были созданы прецизионные резонанс-:ые датчики магнитных полей в диапазоне от 0,2 до 2 кЭ с погреш-:остью измерения, не превышающей 0,01%.

В указанных устройствах верхний предел измерения магнитных по-гей ограничивался насыщением полевой зависимости скорости звука в [увствительном элементе датчика, что связано с масштабом внутренних [агнитоупругих полей в кристаллах гематита.

Одним из направлений совершенствования элементов измерительных

преобразователей данного класса является поиск новых магнитоупоря-доченных материалов для чувствительных элементов, обладающих сильной МУ связью и эффективно управляемых магнитным полем акустическими параметрами в диапазоне полей от десятков эрстед до 50 кЭ. Для этих целей наиболее перспективными магнитоакустическими материалами представляются редкоземельные интерметаллические (РЗИ) соединения с гигантской магнитострикцией (типа ТЬхОу^хГвг). которые обладают достаточно высокой чувствительностью модулей упругости к воздействию внешнего магнитного поля в широком диапазоне, вплоть до нескольких десятков килоэрстед. Однако, до настоящего времени, насколько известно, отсутствовали работы по созданию чувствительных элементов датчиков магнитного поля на базе микрорезонаторов из РЗ металлов, что частично обусловлено как трудностями синтеза акустически совершенных материалов с заданными свойствами, так и неполнотой данных об их магнитоакустических свойствах.

В связи с эти научный и практический интерес представляет исследование магнитоакустических свойств микрорезонаторов на основе РЗИ соединений и определение возможностей их использования в качестве чувствительных элементов для прецезионных широкодиапазонныз датчиков магнитных полей. Разработка таких датчиков предполагает также решение ряда схемотехнических и конструктивных задач сопряжения исследуемых элементов с измерительной аппаратурой, изучение влияния различных физических факторов, определяющих точность, чувствительность и диапазон измерений, рассмотрение вопросов обработка и представления информации в виде, удобном для использования в системах управления. Расширение функциональных возможностей систе! контроля и управления на базе РЗИ соединений возможно при использовании чувствительных магнитострикционных элементов совместно с од-номодовыми волокно-оптическими линиями передачи информации.

Цель работы: разработка магнитострикционных элементов магнитоакустических первичных преобразователей информации на основе редкоземельных соединений для прецизионных широкодиапазонных датчико! магнитных полей на основе магнитоакустических микрорезонаторов и: соединении редкоземельных металлов с гигантской магнитострикцией.

Предметом исследования являлись магнитострикционные элемент: магнитоакустических первичных преобразователей информации на основ редкоземельных соединений.

К задачам решаемым з процессе исследования, предоставленного

'настоящей работе относятся:

1. Экспериментальное подтверждение возможности использования редкоземельных соединений для создания датчиков напряженности магнитного поля в широком диапазоне измеряемых полей.

2. Проведение экспериментов по оптимизации и изменению составов РЗ соединений с целью улучшения параметров магниточувствительных элементов датчиков напряженности магнитного поля.

3. Создание измерителя напряженности магнитного поля с использованием датчика с чувствительным элементом из РЗ материала.

Методы исследования. При выполнении исследований предоставленных в настоящей работе используются следующие методы: феноменологическая тео- ,'рия магнитоупругого взаимодействия, резонансные* методы исследо- вания магнитоакустических характеристик материалов и числен- ные методы статистической обработки данных измерений, схемотехнические методы вычислительной техники.

Научная новизна:

1. Разработаны микрорезонаторы контурно-сдвиговых колебаний на основе интерметаллических РЗ соединений TbxDy^xFez и предложено их использование в качестве основных элементов частотных датчиков магнитных полей с расширенным диапазоном: от десятков эрстед до 50 кЭ.

2. Впервые исследованы магнитоакустаческие свойства микрорезонаторов контурно-сдвиговых колебаний на основе указанных полйкрис-таллических соединений РЗМ. Экспериментально исследованы влияние магнитоупругой анизотропии на спектр мод резонатора, температурные и полевые зависимости резонансных частот, > влияние нелинейных эффектов на резонансную частоту.

3. Впервые проведены исследования магнитоакустических характеристик соединений Tb027Dy0_73(Fei.xMnx)j_9 для различных концентраций Мп. Определен оптимальный состав указанного соединения для применения его в качестве чувствительного элемента датчика магнитных полей обладающего максимальной крутизной характеристики чувствительности резонансной частоты по полю SH = öf/6H и наибольшей магнитострикцией X.

4. Продемонстрирована на экспериментальном макете возможность применения разработанных микрорезонатров в качестве чувствительных элементов прецизионных широкодиапазонных измерителей магнитных полей с цифровым представлением выходной информации.

5. Предложен и реализован резонансный метод измерения магнит-

ного поля в широком диапазоне полей на основе фазовой модуляции света в волоконном световоде, соединенном с чувствительным элементом из РЗ материала.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное обоснование возможности использования микрорезонаторов на основе поликристаллических соединений РЗМ ТЬх0у1_хГе2 в качестве чувствительных элементов прецезионных датчиков напряженности магнитного поля в широком диапазоне измеряемых полей ото,1 кЭ до 50 кЭ.

2. Данные по параметрам и характеристики чувствительных элементов датчиков магнитного поля на основе контурно-сдвиговых микрорезонаторов из соединений ТЬРе2 и ТЬ013Ву0-7Ке2 (частотно-полевые и температурные характеристики микрорезонаторов, а также их анизотропные и нелинейные свойства).

3. Температурные и полевые характеристики мод магнитоупруги? колебаний в микрорезонаторах из соединения ТЬ03 Оу0_7(Ге1.хМпх)2-Результаты оптимизации состава указанного соединения. Установлена оптимальная концентрация Мп (X =0,05), при которой наблюдается увеличение магнитострикции в 1,5 раза, а область минимальной термочувствительности датчика расширяется в 4-5 раз вблизи комнатной температуры по сравнению с нелегированным соединением.

4. Схемы, конструкции и результаты испытаний частотных автоге нераторных датчиков магнитного поля основе соединений РЗМ с вдфровь представлением информации в диапазоне измеряемых полей 0,1 - 1,5 1 /1-15 кЭ/ при относительной погрешности измерений порядка 0,02%.

5. Результаты исследований принципов создания волоконно-оптических первичных преобразователей напряженности магнитного поля н; основе магнитострикционных резонаторных элементов из соединение РЗМ.

Практическая ценность работы:

1. Результаты проведенных исследований частотно-полевых,- температурных, анизотропных и нелинейных свойств микрорезонаторов и: соединений РЗИ являются научной основой для разработки и конструи рования магнитоакустических датчиков напряженности магнитного пол для систем контроля и обработки информации.

2. Показана возможность использования РЗ соединений с гигант ской магнитстрикцией и компенсированной анизотропией тип ТЬхОу^хЕвг и ТЬ0_27Ву0,73(Ге1.хМпх)1-Э для создания прецизионны

автогенераторных датчиков магнитного поля с частотной формой представления информации в широком диапазоне полей.

3. Полученные данные измерения магнитоакустических характеристик ТЬ0.27ПУо. 7з (Fei-xI,Inx) i.э Для различных концентраций Мп позволили выработать, рекомендации по оптимизации состава соединения, обладающего максимальной крутизной характеристики SH =5f/5H и магни-тострикцией X. а также значительно расширенной областью температурной компенсации с пониженным уровнем ТКЧ.

4. Разработаны конструкции волоконно-оптических магнитострик-ционных датчиков магнитного поля на основе РЗ материалов позволяют увеличить помехозащищенность систем контроля и управления, а также осуществить дистанционную передачу сигналов от пространственно.разделенных первичных преобразователей по одному оптическому волокну.

5. Разработан экспериментальный образец прецизионного магнито-акустического измерителя магнитной индукции для автоматического измерения магнитных полей, в том числе и сильно неоднородных, в диапазоне от 0,02 до 2 Тл при относительной погрешности измерений не превышающей 0,02%.

6. Разработан автоматизированный измерительный комплекс на базе ЭВМ IBM PC/AT, предназначенный для прецизионного контроля и управления системой формирования магнитных полей в диапазоне от 0,02 до 2 Тл.

7. Устройство измерения магнитной индукции защищено авторским свидетельством.

Реализация результатов работы. Разработанные магниточувстви-тельные микрорезонасхемные решения и данные проведения измерений, в том числе и по точностным характеристикам магнитоакустического преобразователя "напряженность магнитного поля - цифровой код", были использованы на предприятии А-7797 при разработке автоматизированных систем контроля и измерения топограмм магнитных полей в ускорителях заряженных частиц. Данные по температурно-полевым характеристикам микрорезонаторов на основе соединений с Мп, методика исследования характеристик магнитоакустических резонаторов и схемные решения и данные по параметрам автоматизированного комплекса для измерения магнитных полей были использованы в Секши прикладных проблем при Президиуме РАН результатов диссертационной работы A.M.Заикина. Также результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе МИРЭА.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 19-ой Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений '(Ташкент, 1991г.), на 5-ой Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение" (Ростов Великий, 1991 г.), на конференции 1Б Г0С'91 (Ленинград. 1991 г.), на 6-ой Международной конференции по ферритам (Токио, 1992 г.), на 3-ей Французской акустической конференции (Тулуза, 1994).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на страницах машинописного текста, содержит рисунков. таблицы, список литературы включает наименований.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель диссертации, защищаемые положения, дано краткое содержание выполненных исследований. Приведены объем, структура и содержание диссертации по главам, сведения об апробации, а также основные научные и практические результаты работы.

В первой главе, носящей обзорный характер, проведен анализ состояния исследований в области разработки элементной базы первичных преобразователей напряженности магнитного поля и перспектив ее развития на основе применения РЗИ соединений в качестве магнито-чувствительных акустических микрорезонаторов.

Проведен сравнительный анализ имеющих в настоящее время наибольшее применение первичных преобразователей магнитного поля на основе твердотельных функциональных элементов. Показано, что для ряда научно-технических приложений существует потребность в прецизионных, широкодиапазонных датчиках магнитного поля, способных работать в условиях сильно неоднородных магнитных полей. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют магнитоакустические преобразователи, в которых чувствительными элементами являются микрорезонаторы на основе АФЛП, резонансная частота которых зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Недостатком данных устройств является ограниченный диапазон измеряемых полей, что обусловлено насыщением "мягкой" магнитной подсистемы данных соединений в сильных магнитных полях, В качестве нового класса материалов для чувствительных элементов магнитоакустических датчиков магнитных полей в

•диссертационной работе предложено использовать редкоземельные интерметаллические соединения типа ТЬ^у^хРе-. с гигантской магни-тострикцией.

Проведен анализ характерных для РЗ интерметаллидов особенностей магнитоупругих свойств, существенных для их применений. Отмечено, что гигантская магнитостриквдя ряда РЗИ (X * 10~3) существенно влияет на масштаб внутренних магнитоупругих'полей, обеспечивая высокую чувствительность скоростей звука к изменениям магнитного поля в широком интервале напряженностей. Эта особенность РЗИ может быть положена в основу принципа их использования в качестве материала чувствительных элементов широкодиапазонных резонансных частотных датчиков напряженности магнитного поля.

На основе обзора состояния исследований первичных преобразователей напряженности магнитного поля определены направления исследований, проводимых в диссертационной работе.

Вторая глаза посвящена исследованию магнитоакустических- характеристик резонаторов на основе поликристаллических соединений РЗ интерметаллидов.

Описана использованная технология изготовления образцов Т№е2, ТЬх0У!_хРе2 и методика исследования магнитоакустических микрорезонаторов на их основе.

Приведена схема и параметры экспериментальной установки,-'- - созданной для исследования магнитоакустических характеристик микрорезонаторов из РЗ интеметаллидов. Описаны конструкции предлагаемых микроре.зонаторов.

Приведены математические выражения, описывающие контурно-сдвиговые моды, возбуждаемые в исследуемых микрорезонаторах, и формулы для расчета собственных частот низших базисных мод резонатора. Динамические модули упругости Сп исследуемых соединений существенно зависят от напряженности ¿магнитного поля. Показано, что магнитоуп-ругое взаимодействие, изменяющее не только величину модулей; но и вносящее специфическую анизотропию в упругие свойства РЗ магнетиков. приводит к расщеплению в магнитном поле резонансных частот и двух вырожденных при Н = 0 контурно-сдвиговых мод, имеющих основные компоненты деформации (ихх - иуу) и иху, соответственно ( )

Приведены результаты исследования полевых и температурных микрорезонаторов на основе ТЬРе2 и ТЬ0>3Ву0_7Ге2. В исследуемых резо-

наторах возбуждались контурно-сдвиговые магнитоуругие колебания, что подтверждалось сравнением значений измеренных и расчетных резонансных частот и их зависимостей от диаметра дискового резонатора. Приведены результаты измерений полевых зависимостей резонансных частот для поликристалических дисковых резонаторов из исследуемых материалов. Экспериментально обнаружено расщепление в магнитном поле резонансных частот контурно-сдвиговых: базисных мод резонатора. Приведены расчеты полевой зависимости изотропной й .и анизотропной части СА частей модуля сдвига с использованием данных измерения резонансных частот. Показано, что величина модуля С монотонно нарастает с увеличением магнитного поля не достигая насыщения во всем исследуемом диапазоне полей. В то же время величина СА насыщается в полях порядка 5 КЭ. По порядку величины измеренный ДС - эффект близок к ранее измеренному 5ДЕ - эффекту ТЬГе2.

Результаты измерений полевых зависимостей добротностей двух низших мод показали, что добротность растет с увеличением магнитного поля, достигая значений 0.ш+ - 500 в полях порядка 10 кЭ для слабосвязанной моды. Добротность сильно связанной моды 0.ш. в этих ПОЛЯ}* не превышает 100, однако ее амплитуда, практически, не меняется с ростом магнитного поля, что обусловило выбор данного типа колебаний в качестве рабочего для датчика напряженности магнитного поля.

Приведены результаты измерения температурно-частотных характеристик микрорезонаторов в интервале температур от 200 до 340 К для различных величин напряженности магнитного поля. Для соединений ТЬ0_зБу0>7Ге2 на температурно-частотной характеристике обнаружен характерный минимум при 300 К, соответствующий области компенсации магнитной анизотропии при-данной температуре.

Приведены результаты исследования влияния замещения ионов Ре ионами Мп в соединении ТЬ0.27СУо.7з(Ге1-хМпх)1_9 на магнитоакусти-ческие характеристики микрорезонаторов, изготовленных из поликристаллов данного соединения. Приведены сведения о технологии синтезе образцов исследуемых соединений* и результаты измерения частотно-полевых и температурно-частотных характеристик микрорезонатороЕ для различных концентраций Мп.

* Технология разработана в Проблемной лаборатории магнетизм* физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. Образцы синтезированы И. С. Дубенко.

ГЬ Оу (Яе Мп )

0.2 Г 0.73 1-х » '-3

л Х-0.05 . х-0.10

Л 4. а п О Х-0.00

й . 4 ° * •« * * *-°-15

л 4- £ * XXх *'а2°

А Л. А » . .X . \„,.„'

л ъ 3 *

■ л • л X

«г0 ?

*<я ■ «л

3

0.0

о.а 1 ч •Н-Ю"4. О а

Представлены результаты измерений частотно-полевых характеристик поликристаллических микрорезонаторов на основе ТЬа.270Уо.7з(?'е1-х1й1х)2 для различных концентраций (рис.1). Из приведенных зависимостей видно, что микрорезонаторы, выполненные на основе соединения с концентрацией марганца х = 0,05 обладают наибольшей кру-

тизной характеристики 517бН во 18 всем исследуемом диапазоне магнитных полей и имеют максимальную магнитосрикцию. Рис. 1. Частотно-полевые характеристики акустического резонанса з поликристаллический микрорезонаторах на основе соединений.

Приведены температурно-частот-ные характеристики микрорезонаторов (рис.2), изготовленных на ~ основе ТЬ0.3Оу0.7Ге2.

ГЬ0.27Оу0 _ 73(Ге0.95Мп0.05)2-измеренные при различных значениях напряженности магнитного поля. Из приведенных зависимостей видно наличие расширенной области температурной компенсации при комнатной температуре у соединения

ТЬо,27^Уо,7з(^е0,Эб'^О.05)2« что в сочетании с относительно большой крутизной частотно-полевой характеристики 5Г/5Н. делает это соединение одним из" перспективным материалов для микрорезонаторных материалов для микрорезонаторных измерителей магнитных полей.

220. 240 .260 280 300 320

Рис. 2. Зависимости частоты акустического резонанса

температуры для

от

соединений

ТЬ0.зОУо.7^е2 И ТЬ0 .2 7^УО.73*

(Ге0.одШ0.05) 2 1.2 1'2' - Н = 3 КЗ

Н = 1 КЗ

В третьей главе приведены результаты разработки магнитоакусти-ческого преобразователя напряженности магнитного поля на базе исследованных микрорезонаторных элементов, рассмотрена базовая схема и конструкция магнитоакустического измерителя напряженности магнитного поля. Основными узлами ее являются: чувствительный элемент в виде дискового микрорезонатора из РЗ интерметаллического соединения, катушки возбуждения и съема сигнала, генератор, контрольный частотомер, микропроцессор и система цифровой обработки и отображения сигнала датчика. Описана конструкция чувствительного элемента. Его размеры П ~ -4 * 8 мм и соотношение диаметрд и толщины д/1 ~ 15 определялось с учетом конструктивных и технологических ограничений, требуемым пространственным разрешением, а также условием подавления паразитных изгибных колебаний. Для защиты датчика от влияния окружающей среды чувствительный элемент с индукционными обмотками помещался в герметический корпус из немагнитного материала.

В электрической схеме использовалось включение магниточувстви-тельнопр датчика в цепь обратной связи генератора, что позволяло получать относительную погрешность измерений порядка 10"4 при сравнительно невысокой акустической добротности данного материала.

При разработке схемы автогенератора учитывались особенности магнитоакустического резонатора: малые величины входного и выходного импеденсов, а также изменение коэффициента магнитоакустической связи резонатора при изменении напряженности магнитного поля.

Приведены исследования влияния различных факторов на стабильность частоты микрорезонатора и точность измерения напряженности магнитного поля.

Приведены результаты измерений кратковременной стабильност! частоты автогенератора, с целью определения предельных возможностей разрешения частотного датчика напряженности магнитного поля. ■ Измерения проводились на установке, которая состояла из автогенератор; с РЗИ микрорезонатором магнитной системы, частотомера, стабилизиро' ванного от стандарта частоты и обрабатывающей ЭВМ, подключенной че рез специальный интерфейс и комплек-са контрольно-измерительных при боров. Для исключения дестабилизирующего влияния температуры, резо натор помещался в пассивный термостат. Данные о флуктуациях частот запоминались в ЭВМ. Результаты обработки измерений были представле

ны в виде графика распределения плотности вероятности частоты колебаний. Для резонатора из TbFe2 были получены следующие типичные параметры распределения: для массива из 100 элементов, снятых с интервалом в 1 с,- центральная частота f0 = 212357,3 Гц, среднеквадратичное отклонение б = 2,4 Гц, при этом нестабильность автогенератора составляет величину 0,9 * 10~5. Относительная крутизна полевой зависимости частоты H/f * 5Г/5Н = 7,Ю"2 при Н = 1,5 кЭ, что соответствует чувствительности датчика 5ДН/Н = 1,3 * 10~4.

Приводятся результаты исследования влияния нелинейных эффектов на стабильность резонансной частоты магнитоакустических преобразователей на основе Tb0-3Dy0i7Fe2. Данные эксперимента показывают сильно выраженную нелинейность с нетривиальной полевой зависимостью. Приведены результаты измерений зависимости нелинейного сдвига частоты (н.с.ч.) резонанса базисной моды дискового резонатора от приложенного магнитного поля при фиксированном напряжении накачки. В интервале полей от 0 до 15 кЭ обнаружено двойное изменение знака н.с.ч. при увеличении напряженности подмагничивающего поля (Hj = 2,5 кЭ, Н = 7,8 кЭ). Наблюдаемый эффект интерпретировался как следствие нелинейного резонансного межмодового взаимодействия. Анализ полученных результатов показал, что н.с.ч. при определенных условиях может вносить существенную погрешность в измерения магнитного поля (10%). При разработке мйкрорезонаторных датчиков выбирались такие режимы их работы, при которых н.с.ч. не превышал величины порядка 0,02% в исследуемом диапазоне магнитных полей.

Приведены результаты разработок автоматизированного измерительного комплекса на базе ЭВМ IBM PC/AT. Комплекс включает в себя кроме компьютера, разработанную плату адаптера для присоединения приборного шинного интерфейса МЭК/ GPIB, IEEE - 488.1 КОП), цифровые измерительные приборы, объект измерений и специальное математическое обеспечение.

В четвертой главе приведены результаты исследования возможностей использования РЗИ соединений с гигантской магнитострикцией в волоконно-оптических датчиках магнитных полей.

Анализируются методы построения датчиков как обеспечивающие наибольшую чувствительность к регистрируемому внешнему воздействию. Использование РЗ магнитострикторов в качестзе чувствительных элементов в традиционных схемах ВО интерферометров позволяет значительно уменьшить длину плеч интерферометра от нескольких метров до

~ 1 см и, следовательно, в значительной мере снизить влияние температурного дрейфа, а также расширить диапазон измеряемых магнитных полей.

Волоконные световоды могут являться одновременно как чувствительными элементами датчиков, так и элементами тракта передачи сигналов большой информационной емкости. Рассмотрена возможность создания на базе элементов волоконной оптики конторльно-измерительных систем датчиков, объединенных единым одномодовым волокном для передачи сигналов от пространственно разделенных чувствительных элементов. Одним из преимуществ предложенной системы датчиков, представляющей комбинацию элементов ВО интерферометров с МА резонаторами, является частотная форма представления информации. Это обстоятельство позволяет в значительной мере исключить влияние такого недостатка, присущего ВО интерферометрами, как температурный дрейф рабочей точки, при одновременном сохранении высокой чувствительности, присущей интерферометрическим схемам.

Приведено описание оптической установки для экспериментальных исследований фазовой модуляции оптического излучения в волоконных световодах, жестко связанных с магнитостриктором из РЗ интерметаллического соединения. Дано описание методики проведения измерений.

Приведены результаты исследования возможностей разработки датчиков магнитного поля на основе базовой модуляции оптического излучения в одномодовом световоде, соединенным с магнитострикционныь преобразователем из ТЬ0_27°Уо ,7зрег- Результаты измерения фазово! модуляции излучения в волоконном световоде для квазистатистическогс режима магнитострикционного преобразователя показали возможност! измерения малых изменений магнитного поля в диапазоне от 10"2 дс 500 Э. на фоне больших постоянных подмагничивания, порядка нескольких килоэрстед. Были измерены частотные зависимости крутизны фазовой чувствительности Б = 1/Ь * 5Ф/5Н ВО магнитострикционного преобразователя. В области частот до 10 кГц величина 5(7) практичесга постоянна и зависит, в основном, от состава материала резонатора ] технологии его склейки с ВС. Характерная величина Б дл ТЬ0-зВу0,7Ге2 составила 3,5 рад/Э.м, что на порядок превышает соот ветствующую величину для магнитосриктора из никелевого феррита.

Приведены результаты измерения фазовой модуляции излучения волоконном световоде в динамическом резонансном режиме возбуждени магнитосрикционного преобразователя, при этом информация о величин

магнитного поля содержалась в амплитудно-модулированном с частотой МА резонанса оптическом сигнале. Полученные результаты подтверждают принципиальную возможность создания ВО систем измерения магнитных полей с заданными характеристиками на основе элементов РЗИ соединений.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны микрорезонаторы на основе интерметаллических РЗ соединений ТЬхОу^Рег и предложено их использование в качестве частотных датчиков магнитных полей в широком диапазоне, от десятков эрстед до 50 кЭ..

2. Разработана схема и определены параметры автогенератора, стабилизированного магнитоакустическим резонатором на основе соединений ТЬхБу^хГег- Предложена методика исследования характеристик магнитоакустических резонаторов.

3. Измерены частотно-полевые и температурные характеристики микрорезонаторов на основе поликристаллических соединений РЗМ ТЬхОу!-хРе2 для различных составов в диапазоне температур от200 К до 340 К и магнитных полей от 0.2 до 15 кЭ.

4. Обнаружена анизотропия частотно-полевой зависимости в дисковых магнитострикционных микрорезонаторах на основе поликристаллических соединений ТЬРе2. Эффект объясняется индуцированной магнитным полем анизотропией полевой зависимости модулей сдвига (анизотропия ДС - эффекта в исследуемых РЗ соединениях, приводящей в присутствии магнитного поля к снятию вырождения частот двух низших контурно-сдвиговых мод дискового резонатора.

5. Определены особенности нелинейных характеристик магнитоакустических свойств резонаторов на основе соединения ТЬ0_3Оу0_7Ге2. Показано, что нелинейный сдвиг резонансной частоты может достигать 20% при напряжениях накачки выше 1В. Обнаружена двойная смена знака н.с.ч., наблюдаемая в полях 2,5 кЭ и 8 кЭ. Эффект интерпритируется как результат резонансного мезкмодового взаимодействия в условиях сильной чувствительности скорости звука к изменениям магнитного поля. Результаты использовались для выбора амплитудного режима работы чувствительного элемента датчика в автогенераторной схеме.

6. Измерены температурно-полевые характеристики микрорезонаторов на основе ТЬо.27°Уо.-7з(Ге1-хМПх)1.9 Для различных концентраций

Мп. Обнаружено, что добавление Мп расширяет область температурной стабильности резонатора вблизи комнатной температуры. Установлен оптимальный состав соединения с х = 0,05, обладающий максимальной крутизной характеристики 56f/6H и магнитострикцией Xltl ~ 1,3 * 10~3 и имеющий температурный интервал, соответствующий 1% уходу частоты, порядка'25 К, что значительно больше, чем у нелегированного Мп соединения.

7. Предложены и разработаны схемы конструкций волоконно-оптических магнитострикционных датчиков магнитного поля на основе резонаторов из РЗ материалов, соединенных с одномодовым волоконным световодом. Измерены характеристики фазовой чувствительности волновод-ной моды к магнитному полю.

8. Разработан автоматизированный измерительный комплекс на базе ЭВМ IBM PC/AT, предназначенный для измерения магнитных полей, в том числе и сильно неоднородных, в диапазоне от 0,02 до 2 Тл при относительной погрешности измерений в термо стабилизированном режиме не превышающей 0.0255. Разработанное устройство сопрягается с измерительной магистралью МЭК (IEEE - 488.1).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Заикин A.M., Преображенский В.Л. Анизотропия AG - эффекта в поликристаллическом соединении TbFe2. - Акустический журнал. 1989. т. 35. N1. с. 165 - 168.

2. Заикин A.M., ГлуховМ. Ю., Маковкин А. В., Преображенский В. Л. Фазовая модуляция света в одномодовом волоконном световоде с использованием РЗ соединений системы с гигантской магнитосрикцией. - Письма В ЖТФ, 1990, Т. 16. N 21, с. 57 - 60.

3. A. Zaikin. М. Glukhov, A. Makovkln, V. Preobrazhenskll. Phase shifter based on rare-earth-lren allays Th^y^Fe., with giant magnetostructon for fiber optic sensors, Proceeding of IS F0C'91, V. 1, p. 323 - 327.

4. Заикин A.M., Преображенский В.Л. Эффективный ангармонизм упругой подсистемы редкоземельного соединения - Тезисы докладов XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, Ташкент, 1991, ч. 1 С1ВЗ. с.70.

5. A.Zaikin, V. Preobrazhenskll, I.Dubenko. Magnetoacousting Interaction In Rare-Earth Compounds Tb0>27Dy0>T3(Fe1.xMnx)t, 9. Dijest of 6-th International conference on Ferutes, Tokio, 1992, 30 Pp 1 - 2. p 267 - 269.

6. A.Zaikln, V.Preobrazhenskii, I.Dubenko, N.Economov. Acoustic properties of rare earth alloys Tb0-27Dy0_73(Fe1_xMnx)1.3. Journ. de Phys. IY. Colloque с.5, Suppl. to J.de Phys III, 1994, V. 4, c. 5, p.705'- 708.

7. A.C. 248057C (СССР). Евтихиев H.H.. Заикин A.M., Дубенко И. е., Преображенский В.Л. Устройство для измерения магнитной индукции /МИРЭА/ - Заявлено 02.02.1987 г., Ы 4189025.

8. Заикин A.M., Преображенский В.Л., Пасечник О.Ю., Севрюков 0. Н. МИРЭА; ГИРЕДМЕТ. Магнитоупругие свойства поликрикристалличес-ких быстрозакаленных лент из редкоземельных соединений тербий дис-перзий железо. Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение. - Тезисы докладов Y-ой Всесоюзной конференции. Ростов Великий, 1991,'- стр. 78.