Распространение магнитоупругих ультразвуковых импульсов в пластинах поликристаллического железоиттриевого граната в условиях неоднородного внутреннего поля
Ультразвуковые колебания высоких частот 10-100 МГц находят широкое применение в технике и научных исследованиях [1-3]. Важное место в телевизионной технике и аналоговой обработке информации занимает использование акустических поверхностных волн [4-7]. Традиционным способом возбуждения ультразвука на частотах до 50 МГц является использование резонансных преобразователей на пластинах из пьезоэлектрика [8], однако с повышением частоты пластины становятся настолько тонкими и хрупкими, что их использование становятся затруднительным. Важную роль на этих частотах играют магнитострикционные преобразователи [9-11], в том числе с использованием ферромагнитного резонанса (ФМР) вплоть до частот в десятки ГГц [12,13]. Эффективное возбуждение упругих колебаний на частотах до нескольких МГц возможно за счет использования движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов в условиях ориентационного перехода [14,15].
Перспективным магнитным материалом для высокочастотного ультразвука является железоиттриевый гранат (ЖИГ), акустическая добротность которого может на два порядка превосходить добротность кварца [1,13]. Для задержки упругого импульса на время порядка требуется монокристалл ЖИГ длиной . [13,16], изготовление которого требует немалого времени и обходится весьма дорого. Намного более простым и дешевым является поликристаллический ЖИГ, размеры образца из которого могут достигать десяти и более сантиметров. Введение алюминия, аналогичное применяемым для преобразователей на железе [1], позволяет в широких пределах менять намагниченность насыщения материала.
Работа устройства в условиях неоднородного поля, в том числе в присутствии доменной структуры, широко применяемая в технике магнитостатических волн [17-24], также значительно увеличивает его функциональные возможности [25-28]. Некоторые вопросы распространения магнитоупругих волн в условиях неоднородного намагничивания, в том числе в присутствии доменной структуры, частично рассмотрены в работах [29-31], однако проведенное там рассмотрение является существенно неполным. Так в работе [29], в части, посвященной «низкочастотному магнитоакустическому резонансу», то есть области частот ниже 100 МГц, неоднократно упоминается о необходимости учета доменной структуры, по мнению авторов, могущей оказать существенное влияние на свойства магнитоупругих волн, однако какой-либо попытки учесть домены не сделано. То же касается работы [30]. В работе [31] эксперименты по возбуждению ультразвука пленкой ЖИГ, выполненные на частотах 36 и 16 МГц, трактуются с позиции резонанса доменных границ (РДГ), однако приведенная там количественная оценка частоты РДГ в ЖИГ, основанная на работе [32], по-видимому, требует уточнения.
Таким образом, можно заключить, что имеющиеся на сегодняшний день исследования распространения магнитоупругих волн в образцах с неоднородным внутренним полем, в том числе с доменами, являются недостаточными.
В связи с этим, основной целью настоящей работы явилось исследование распространения коротких ультразвуковых импульсов в поликристаллических образцах легированного алюминием железоиттриевого граната в условиях неоднородного внутреннего поля, обеспечиваемого как за счет размагничивающих факторов формы протяженного образца, так и достаточно разветвленной доменной структуры.
Экспериментальная установка и методика измерений
Рассмотрим схему экспериментальной установки, основные параметры образцов и методику измерений.
Схема установки
Измерения проводились классическим импульсным методом [2, 33-38] с помощью установки, упрощенная схема которой показана на рис.1.
Рис.1. Схема экспериментальной установки. а - возбуждение механическое; б - возбуждение электромагнитное. 1 - генератор импульсов постоянного тока; 2 - генератор ВЧ сигнала; 3 - приемник ВЧ сигнала; 4 - осциллограф; 5 - излучающий пьезопреобразователь; 6 - образец; 7 - приемный пьезопреобразователь; 8 - возбуждающая катушка; 9 - звукопровод; 10 - магнит.
Основу установки составлял генератор импульсов постоянного тока 1, с которого задающие импульсы в качестве модулирующих поступали на генератор высокочастотного сигнала 2 и в качестве синхронизирующих на осциллограф 4. Высокочастотный импульсный сигнал поступал на образец 6, после взаимодействия с которым проходил на приемник 3, с выхода которого поступал на осциллограф 4. Магнитное поле в образце создавалось электромагнитом 10.
Установка работала «на проход» в двух различных режимах, отличающихся способом возбуждения упругих колебаний в образце.
На рис.1а показана схема работы установки при механическом возбуждении упругих колебаний. В этом случае на обоих торцах образца 6 размещались пьезопреобразователи - излучающий 5 и приемный 7, из которых первый был соединен с выходом генератора 2, а второй - со входом приемника 3.
На рис.1б показана схема работы установки при электромагнитном возбуждении упругих колебаний за счет магнитострикции образца. В этом случае вблизи одного торца образца размещалась возбуждающая катушка 8, а другой через звукопровод 9 был соединен с приемным пьезопреобразователем 7, сигнал с которого поступал на приемник 3.
Генератор импульсов 1 позволял формировать импульсы постоянного тока длительностью от 0.1 до 100 мкс с аналогичной паузой и амплитудой в единицы вольт. Генератор высокочастотного сигнала 2 обеспечивал радиоимпульсы той же длительности с частотой заполнения от 2 до 20 МГц и амплитудой до нескольких вольт. В некоторых экспериментах для повышения уровня возбуждения использовался дополнительный усилитель на лампе ГИ-30, позволявший получать в импульсе мощность до 100 Вт. В качестве приемника 3 использовался тракт прямого усиления, содержащий несколько резонансных каскадов, выполненных на транзисторах в каскодном включении. Чувствительность тракта составляла 10 мкВ, полоса пропускания регулировалась от 0.3 до 2.5 МГц. Электромагнит 10 питался током до 10 А от источника напряжением до 15 В, что при диаметре полюсов 120 мм позволяло в зазоре до 40 мм получать поле до 4500 Э. В некоторых экспериментах, в первую очередь при намагничивании образца вдоль его длинного размера, в качестве магнита 10 использовался соленоид с внутренним диаметром 30 мм и длиной 400 мм, питаемый от того же источника, что позволяло получить поле до 400 Э.
В качестве пьезопреобразователей использовались кварцевые пластины XY-среза с резонансной частотой 18.9 МГц на поперечной сдвиговой волне. Возбуждение преобразователей осуществлялось в резонансном режиме, то есть частота возбуждающего сигнала равнялась 18.9 МГц. Связующей склейкой между преобразователями, образцом и звукопроводом для поперечных волн являлась канифольно-восковая смесь. Звукопровод из плавленого кварца имел поперечное сечение порядка 5 на 5 мм и длину от 50 до 70 мм. Основная задача звукопровода состояла в разнесении во времени задержанного сигнала от сигнала прямой электромагнитной наводки с целью предотвращения перегрузки приемного тракта.
В большинстве экспериментов использовались импульсы длительностью 0.3 мкс, при этом собственное время задержки первого проходящего импульса на поперечной волне составляло от 2 до 4 мкс, а полное время задержки с учетом звукопровода - до 25 мкс.
Катушка, применявшаяся для электромагнитного возбуждения ультразвука, выполнялась из медного провода диаметром 0.15 мм, количество витков - порядка 20 - 30, диаметр катушки - около 7 - 10 мм, выбирался таким, чтобы она достаточно плотно надевалась на образец. Катушка являлась частью резонансного контура, настроенного на рабочую частоту 18.9 МГц, задаваемую резонансной частотой пьезопреобразователей.
Характеристики образцов
В работе исследовались три группы образцов из поликристаллического железоиттриевого граната с различным содержанием алюминия. В образцах первой группы (далее А) содержание алюминия составляло 0.30, что обеспечивало намагниченность 1210 Гс, в образцах второй группы (далее В) эти цифры равнялись 0.70 и 650 Гс, в образцах третьей (далее С) - 1.50 и 210 Гс. Образцы были выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов длиной от 9 до 15 мм с поперечными размерами от 3.5 до 4.9 мм. Для обеспечения хорошего акустического контакта торцы образцов полировались алмазной пастой с размером зерна 0.01 мм.
Для экспериментов из каждой группы образцов было выбрано по одному, проявлявшему характерные для группы свойства в наиболее сильной степени. При этом размеры образца группы А составляли , группы В - , группы С - .
Размагничивающие факторы и соответственно размагничивающие поля образцов в предположении однородности рассчитывались по методике, описанной в [39-41], с помощью калибровочных кривых, приведенных в [42]. При этом образец рассматривался как приближающийся по форме к эллипсоиду, где в качестве полуосей эллипсоида брались половинные размеры образца по трем его осям.
Параметры и характеристики образцов приведены в таблице №1.
Таблица №1.
В первом столбце таблицы приведено наименование группы и намагниченность насыщения образца. Во втором - его размеры. В третьем - параметры (полуоси) эквивалентного эллипсоида. В четвертом - полуоси эллипсоида, нормированные на наибольшую из них. В пятом - размагничивающие факторы, нормированные на намагниченность. В шестом - отношение наименьшего размагничивающего фактора к полусумме двух других, определяющее близость формы образца к длинному цилиндру, для которого это отношение стремится к нулю. В седьмом - размагничивающие поля, соответствующие осям эллипсоида. В восьмом - полученное из эксперимента по зависимости затухания от поля значение поля стабилизации затухания , соответствующее выходу зависимости на плоский горизонтальный участок (пояснено далее). В последнем столбце приведено отношение размагничивающего поля вдоль длинной оси образца к полю стабилизации затухания , выраженное в процентах.
Из соотношения размагничивающих факторов образцов можно видеть, что образец С по форме наиболее близко подходит к длинному цилиндру, однако по размагничивающим полям, для цилиндра с намагниченностью равным , , , отличие остается довольно значительным.
Полученные в эксперименте значения поля близки по величине к размагничивающим полям вдоль оси . Расчетные значения в среднем по трем образцам составляют от экспериментальных, то есть различие между теорией и экспериментом в среднем составляет .
Таким образом, учитывая заметное отличие формы образцов от эллипсоидальной, можно полагать, что теория, касающаяся полей размагничивания, описывает эксперимент достаточно адекватно.
Методика измерений
В экспериментах измерялась амплитуда и время задержки импульсов, проходящих через образец. Схема наблюдения сигналов на экране осциллографа показана на рис.2.
Рис.2. Схема наблюдения сигналов на экране осциллографа.
Наблюдалась серия импульсов в моменты времени , , и так далее. Обычно наблюдались 3-4 импульса, в некоторых экспериментах - до 5 и более.
Возбуждение осуществлялось в момент времени , чему на экране соответствовал импульс наводки с амплитудой .
Промежуток времени от до соответствует распространению упругой волны в звукопроводе, использовавшемся только при электромагнитном возбуждении (рис.1б). При механическом возбуждении (рис.1а) звукопровод и соответственно этот промежуток времени отсутствовал, то есть выполнялось соотношение .
Промежуток времени от до определялся временем прохождения упругой волны через образец. Это промежуток связан со скоростью волны в образце соотношением:
, (1)
где - длина образца, - скорость поперечной упругой волны в образце.
Импульс в момент времени определялся однократным прохождением волны через образец. После такого прохождения волна отражалась от дальнего конца образца, проходила образец в обратном направлении и снова, отражаясь от его начала, проходила образец еще раз, давая импульс в момент времени . Таким образом, импульс в момент времени по сравнению с начальным моментом определялся трехкратным прохождением волны через образец. Дальнейшие импульсы в моменты , и так далее определялись многократным прохождением волны через образец с последовательным переотражением. Схема переотражений показана на рис.2 внизу.
Таким образом, момент времени , где - номер импульса, был связан с начальным моментом времени соотношением:
, (2)
что позволяло в экспериментах определить скорость упругой волны с помощью соотношения:
. (3)
Интервал времени между соседними импульсами при равнялся:
. (4)
Амплитуда переотраженных импульсов по мере увеличения номера убывала в соответствии с законом:
, (5)
где - начальная амплитуда, соответствующая моменту начала возбуждения волны , - параметр затухания волны, определяемый как коэффициент при времени в отрицательном показателе экспоненты.
Однако амплитуда в эксперименте не определена, поэтому удобнее отсчитывать время от момента , для которого получаем:
. (6)
При этом параметр затухания, определяется соотношением:
, (7)
которое для двух соседних импульсов приобретает вид:
, (8)
или с учетом (4):
. (9)
В экспериментах амплитуда импульсов измерялась по напряжению, поэтому параметр затухания было удобно измерять в децибелах на секунду:
. (10)
Учитывая, что волна за одну секунду проходит расстояние, равное скорости , затухание волны удобно было измерять в децибелах на сантиметр:
, (11)
где параметры и связаны соотношением:
. (12)
Таким образом, если требовалось узнать, насколько уменьшилась амплитуда волны за определенный промежуток времени, то надо было пользоваться параметром , а для того, чтобы узнать, насколько уменьшилась амплитуда при прохождении определенного расстояния, надо было пользоваться параметром .
Основные предметы исследования
Основными предметами экспериментального исследования в настоящей работе являлись следующие: