Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации (записи) спектров ферромагнитного резонанса от локальных участков тонкопленочных образцов. Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой содержит СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, при этом над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора. Технический результат – возможность частотной подстройки чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации (записи) спектров ферромагнитного резонанса от локальных участков тонкопленочных образцов.

Известно устройство [Frait Z., Kambersky V., Malek Z., Ondris M. Local variations of uniaxial anisotropy in thin films // Czechosl. Journ. Phys. 1960. Vol.10. P. 616-617], предназначенное для измерений параметров ферромагнитного резонанса (ФМР) от различных локальных участков образцов тонких магнитных пленок (ТМП). В качестве чувствительного элемента в устройстве используется объемный резонатор на частоте ~10 ГГц с колебаниями типа Н111, который имеет в центре стенки измерительное отверстие диаметром около 0.1 мм. Исследуемый образец прикладывается к отверстию с внешней стороны полости резонатора. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения образца относительно измерительного отверстия. По угловым зависимостям параметров ФМР определяются основные магнитные характеристики локального участка исследуемого образца ТМП: эффективная намагниченность насыщения, параметр затухания, магнитная анизотропия и др. Чувствительность устройства пропорциональна отношению Q/V [Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том I: пер. с англ. М.: Мир, 1972. 651 с], где Q - добротность резонатора; V - эффективный объем СВЧ-резонатора.

Известен также микроволновый магнитный микроскоп, работающий на частоте -10 ГГц [SoohoR. F. A microwave magnetic microscope // Jour. Appl.

Phys., Suppl. 1962. Vol. 33(3). P. 1276-1277], представляющий собой сканирующий спектрометр ФМР, позволяющий проводить измерение резонансных параметров локальных участков образцов ТМП, на основе которых определяются магнитные характеристики этих участков. Исследуемый образец размещается с внешней стороны задней стенки резонатора, имеющей в центре небольшое отверстие, благодаря которому только малый локальный участок образца подвержен непосредственному действию высокочастотного поля резонатора. Спектр ФМР снимается путем изменения постоянного магнитного поля, приложенного к образцу ортогонально высокочастотному магнитному полю резонатора. Перемещая образец относительно отверстия в резонаторе, можно измерять распределения магнитных характеристик по площади ТМП.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса [Беляев Б. А., Лексиков А.А., Макиевский И.Я., Тюрнев В.В. Спектрометр ферромагнитного резонанса // ПТЭ. 1997. №3. С. 106-111 (прототип)], представляющий собой корпус, внутри которого размещается микрополосковый резонатор с измерительным отверстием, вытравленным в металлизации его экрана. Микрополосковый резонатор является задающим контуром транзисторного СВЧ-генератора. К резонатору подключается амплитудный детектор (АД), с которого снимается сигнал, пропорциональный величине поглощения СВЧ-мощности участком пленки, расположенным под отверстием резонатора. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения исследуемого образца относительно измерительного отверстия. Данная конструкция выбрана прототипом заявленного изобретения.

Недостатком описанных выше устройств, в том числе конструкции-прототипа, является фиксированная частота высокочастотного магнитного поля резонатора. Для обеспечения высокой чувствительности в этих устройствах используют объемные или микрополосковые резонаторы с высокой добротностью, работающие на фиксированных частотах, что не позволяет проводить измерения частотных зависимостей магнитных характеристик на локальных участках ТМП. Тогда как известны применения магнитных пленок, например, в датчиках слабых магнитных полей [Бабицкий А. Н., Беляев Б.А., Боев Н.М., Скоморохов Г.В., Изотов А.В., Галеев Р.Г. Магнитометр слабых квазистационарных и высокочастотных полей на резонансных микрополосковых преобразователях с тонкими магнитными пленками // Приборы и техника эксперимента. 2016. №3. С. 96-104], возбуждение ТМП в которых происходит на оптимальной частоте в диапазоне 0.4-0.8 ГГц. Особую важность для обеспечения предельной чувствительности датчиков слабых магнитных полей имеет задача определения магнитных характеристик ТМП во всем диапазоне частот для выбора оптимальной рабочей частоты.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение возможности частотной подстройки чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой, содержащем СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, новым является то, что над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием индуктивного элемента задающего резонатора СВЧ-генератора, расположенного над измерительным отверстием, а также наличием варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи. Существенное отличие заключается в том, что одновременно с подстройкой частоты задающего резонатора осуществляется регулировка коэффициента положительной обратной связи и режима работы СВЧ-генератора - это позволяет для каждого значения рабочей частоты чувствительного элемента выбирать оптимальный режим работы по критерию максимума отношения сигнал/шум.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Данное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема чувствительного элемента сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой, а на фиг.2 показана его конструкция.

Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой содержит (фиг.1) транзисторный СВЧ-генератор (1) по схеме Клаппа с общим эмиттером и заземленным коллектором. СВЧ-генератор (1) включает задающий резонатор с высокодобротными варикапами (2, 3) и индуктивным элементом (4). Амплитудный детектор (5) своим входом подключен к резонатору СВЧ-генератора (1), а его выходной сигнал является выходным сигналом устройства. Под индуктивным элементом (4) задающего резонатора размещается измерительное отверстие (6), вытравленное (фиг. 2) в экране (7). Исследуемый образец размещается вблизи измерительного отверстия (6), диаметр которого определяет площадь исследуемой локальной области образца ТМП. Электрорадиоизделия устройства размещаются на верхней стороне печатной платы (8), закрепляемой в корпусе (9). Корпус (9) устанавливается в сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса с помощью полого штока, внутри которого прокладывают провода питания и провода, соединяющие выход амплитудного детектора (6) с блоком обработки сигналов сканирующего спектрометра ФМР.

Устройство работает следующим образом. Транзисторный СВЧ-генератор (1) возбуждает колебания в задающем резонаторе, индуктивная часть (4) которого размещается над измерительным отверстием (6) в экране (7). Частота возбуждения СВЧ-генератора определяется из выражения ω2=[1/С1+1/(С2+С3)+1/(С4+С5)]/L, где С1 и (С2+С3) - емкости обратной связи, (С4+С5) - емкость резонатора, L - индуктивность резонатора. Вблизи измерительного отверстия (6) локализуется высокочастотное магнитное поле. ТМП размещается со стороны экрана (7) исследуемым участком к измерительному отверстию (6). Переменное магнитное поле взаимодействует с локальной областью исследуемого образца. При развертке постоянного магнитного поля, ортогонального направлению переменного поля, происходит поглощение электромагнитной энергии образцом в условиях ФМР, что приводит к изменению амплитуды колебаний генератора, фиксируемого АД (5). Выходной сигнал АД (5), пропорциональный величине поглощения СВЧ-мощности образцом, поступает в блок обработки сигналов сканирующего спектрометра ФМР. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения исследуемого тонкопленочного образца относительно измерительного отверстия (6) со стороны экрана (7). Частотное сканирование осуществляется путем подачи регулирующих напряжений на входы А, Б и В. Причем заранее для каждого значения частоты (регулируется напряжениями на варикапах (2, 3), подаваемыми на входы А и Б), определяются оптимальное значение коэффициента положительной обратной связи (регулируется напряжением на входе Б) и оптимальный режим работы СВЧ-генератора (определяется напряжением на входе В) по критерию максимума отношения сигнал/шум чувствительного элемента.

Предложенная конструкция чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР с частотной подстройкой может быть использована для измерения частотных зависимостей различных магнитных характеристик тонкопленочных образцов. Экспериментальные исследования заявленного чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР с частотной подстройкой показали возможность измерения частотных зависимостей в диапазоне f0±10%.

Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой, содержащий СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, отличающийся тем, что над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к источникам электропитания. В частности, она применима в сочетании с адаптерами электропитания, преобразующими переменный ток в постоянный ток, для медицинских устройств, используемых в условиях сильных внешних магнитных полей, и будет описана с частной ссылкой на такое применение.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения намагниченности магнитной жидкости. Техническим результатом является повышение точности измерений намагниченности магнитной жидкости и снижение необходимого минимального объема исследуемого образца.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам магнитно-резонансной томографии. МРТ содержит установленные в полости магнита основную катушку, выполненную с возможностью работы в качестве передающей или приемо-передающей, размещенные вблизи исследуемого объекта приемную катушку и дополнительную катушку, выполненную с возможностью работы в качестве передающей, или приемо-передающей, или закороченной на концах, систему коммутации катушек, включающую коммутатор, автоматический переключатель, сумматор и селектор и приемник и передатчик.

Использование: для контроля измерения скоростей при фазоконтрастной магнитно-резонансной томографии. Сущность изобретения заключается в том, что фантом представляет собой вращающийся с заданной угловой скоростью диск, максимальные габаритные размеры которого 150×160 мм, а конкретные свойства обеспечивает соединение гадолиния GD-DTPA и крепление на валу, который свободно вращается во втулках, опирающихся на кронштейны, детали фантома изготовлены из немагнитных пластиковых материалов, поверх диска надет нескользящий материал - латекс, крутящий момент передается на фантом посредством ременной передачи со шкива, расположенного на оси электромотора вне магнита на расстоянии 3,5 метра, шкив также покрыт латексом и осуществляет передачу крутящего момента, мотор соединен с блоком управления.

Изобретение относится к области радиосвязи. Отличительной особенностью заявленного устройства исследования электромагнитного поля вторичных излучателей является введение коммутатора передающих антенн, коммутатора приемо-передающих антенн, приемо-передающей антенной системы, двух передающих антенн для создания вертикальной составляющей, двух передающих антенн для создания горизонтальной составляющей, адаптивного преобразователя, формирователя информации излучения вторичных излучателей, преобразователя частотного спектра, блока фильтров, блока анализа спектра излучения, блока исследования спектра вторичного излучения.

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе алмаза для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов.

Использование: для обнаружения воспаления или инфекции. Сущность изобретения заключается в том, что обнаружение воспаления или инфекции выполняют путем 13С-МР томографии, 13С-МР спектроскопии и/или 13С-МР спектроскопической томографии, при котором используют визуализирующую среду, содержащую гиперполяризованный 13С-пируват, и воспаление или инфекцию определяют по высокой интенсивности 13С-сигнала от 13С-лактата или по повышенной скорости образования 13С-лактата.

Изобретение относится к области эксплуатации нефтяных месторождений, конкретно к оптимизации разработки залежей вязких и высоковязких нефтей на основе систематических промыслово-геофизических исследований пластовой продукции посредством импульсной методики и техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в сильном магнитном поле [1].

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации спектров ферромагнитного резонанса от локальных участков тонкопленочных образцов. Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой содержит СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, при этом над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора. Технический результат – возможность частотной подстройки чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР. 2 ил.

Наверх