虚拟仿真实验（磁性能测试）中南大学.docx

虚拟仿真实验报告 实验名称：低温强场下材料的磁性测试与结构 表征虚拟仿真实验（磁性能测试 PPMS） 专业班级： 学 号： 姓 名： 日 期： 一、实验目的 1.了解磁性材料的分类和基本磁学参数； 2.了解振动样品磁强计的测量原理及应用； 3.掌握利用PPMS测量材料磁性能的方法； 二、实验原理简述 振动样品磁强计（VSM）是综合物性测量系统（PPMS）的主要功能之一，是一种磁性测量常用的仪器，在科研和生产中有着广泛的应用。它是利用小尺寸样品在磁场中做微小振动，使临近线圈感应出电动势而进行磁性参数测量的系统。该仪器的磁矩测量灵敏度高，最高可达到10-6emu，对测量薄膜样品等弱磁信号更具优势。 如果一个小样品（可近似为一个磁偶极子）在原点沿Z轴作微小振动，放在附近的一个小线圈（轴向与Z轴平行）将产生感应电压： 其中，C为耦合常数，取决于线圈的结构，m为样品的磁矩，A为振幅，f为振动频率。原则上，可以通过计算确定出Vg和m之间的关系k，从而由测量的电压得到样品的磁矩。但这种计算很复杂，几乎是不可能进行的。实际上是通过实验的方法确定比例系数k，即通过测量已知磁矩为m的样品的电压Vg，得到，这一过程称为定标。定标过程中标样的具体参数（磁矩、体积、形状和位置等）越接近待测样品的情况，定标越准确。 VSM测量采用开路方法，样品放置的位置对测量的灵敏度有影响。假设线圈和样品按图1放置，沿x方向离开中心位置，感应信号变大；沿y和z方向离开中心位置，感应信号变小。中心位置是x方向的极小值和y、z方向的极大值，是对位置最不敏感的区域，称为鞍点。测量时，样品应放置在鞍点，这样可以使样品具有有限体积而引起的误差最小 基本的VSM由磁体及电源、振动头及驱动电源、探测线圈、锁相放大器和测量磁场用的霍耳磁强计等几部分组成，在此基础上还可以增加高温和低温系统，实现变温测量。 振动头用来使样品产生微小振动，振动频率应尽量避开50Hz及其整数倍，以避免产生干扰。为了使振动稳定，还要采取稳幅措施。驱动方式有机械驱动、电磁驱动和静电驱动几种。 磁体有超导磁体、电磁铁和亥姆赫兹线圈等几种。前两种能产生很强的磁场，用来测量高矫顽力的永磁材料。亥姆赫兹线圈产生的磁场很小，但磁场的灵敏度很高，适于测量软磁材料。磁矩的测量由探测线圈和锁相放大器组成，锁相放大器有很高的放大倍数，保证了VSM有较高的灵敏度。磁场的测量采用霍耳磁强计。将和信号送给计算机，由计算机进行数据的处理，并对测量过程进行自动化控制。 软磁材料经常与线圈组成电感器件，如变压器、磁头等，材料内磁通以一定频率快速变化，其动态参数电感量一般用交流电桥或Q表等测量。但软磁材料的静态参数，如饱和磁化强度、矫顽力等仍然是基本的性能指标。此外软磁材料也大量地应用于永磁磁路或电磁铁等静态和准静态磁路中，静态磁性能的测量也是相当重要的。振动样品磁强计可以用来测量软磁材料的、等静态参数。通过测量材料的初始磁化曲线，可以得到饱和磁化强度，初始磁化率和最大磁化率。通过磁滞回线的测量，可以得到矫顽力。 图中Ms为饱和磁化强度，Mt为剩余磁化强度，Hc为矫顽力，Hs为饱和磁化场，Xi为初始磁化率，Xmax为最大磁化率。 永磁材料的全部技术参数都可以由VSM测量得到。永磁材料的技术参数（剩磁、矫顽力和磁能积等）可以由磁滞回线反映出来，温度特性可以由不同温度下的磁滞回线给出。 三、实验器材（包括实验仪器、材料、样品等） PPMS的基本系统按功能可以分为以下几个部分：温度控制、磁场控制、直流电学测量和PPMS控制软件系统。基本系统的硬件包括样品室、液氦杜瓦、温控流阻、超导磁体及电源、真空泵、计算机和电子控制系统等。本实验用到的主要实验仪器有：变频压缩机、模块控制系统、电脑、控制台、杜瓦系统、氦气瓶、系统电源、电池箱、样品箱等。 实验场景如图所示 ???????????? ? 实验内容及操作步骤 实验内容： 对给定样品进行测试，根据测试数据作出磁化曲线和磁滞回线，从而求得试样的饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、饱和磁化场、初始磁化率和最大磁化率等参数。 实验操作方法: 启动实验程序，进入实验窗口，如下图所示。 正式开始实验： 1.PPMS开机 （1）开系统电源：在系统电源大视图中，选择背面视图，鼠标依次单击旁路、市电、电池开关，打开旁路、市电、电池开关；选择正面视图，鼠标点击ON按钮，打开ON开关； （2）开主控箱开关：在主控箱大视图中，选择背面视图，鼠标依次单击总电源、附件电源、磁体开关，依次打开总电源开关、附件电源开关、磁体开关，默认主控箱下面的