振動樣品磁強計的原理

振動樣品磁強計可以測出在不同的環(huán)境下材料多種磁特性。由于它易于發(fā)揮電子技術(shù)的作用及其采用靈活的設(shè)計，使之有*的靈敏度并兼?zhèn)湟子诎惭b定位，更換樣品的優(yōu)點。測量磁矩靈敏度在磁場中零場到磁鐵可達到的大場范圍內(nèi)，可小到5x10-9A/m2以下。 由于其具有很多優(yōu)異特性而被磁學(xué)研究者們廣泛采用，又經(jīng)許多人改進，使VSM成為檢測物質(zhì)內(nèi)稟磁特性的標準通用設(shè)備。

　　內(nèi)稟磁特性主要是指物質(zhì)的磁化強度而言，即體積磁化強度——M 單位體積內(nèi)的磁矩，和質(zhì)量磁化強度σ——單位質(zhì)量的磁矩。

　　設(shè)被測樣品的體積為V，由于樣品很小，當被磁化后，在遠處可將其視為磁偶極子：如將樣品按一定方式振動，就等同于磁偶極場在振動。于是，放置在樣品附近的檢測線圈內(nèi)就有磁通量的變化，產(chǎn)生感生電壓。將此電壓放大并記錄，再通過電壓-磁矩的已知關(guān)系，即可求出被測樣品的M或σ。

　　將小球型樣品（體積位V，磁化強度為M）放在平行于X軸方向的均勻磁場H中，并使它在Z方向做小幅度等幅振動，在其附近放一個軸線和Z軸平行的多匝線圈L，在L內(nèi)的第n匝內(nèi)取面積元，其與坐標原點的矢徑為，磁場延X方向施加將小球型樣品（體積位V，磁化強度為M）放在平行于X軸方向的均勻磁場H中，并使它在Z方向做小幅度等幅振動，在其附近放一個軸線和Z軸平行的多匝線圈L，在L內(nèi)的第n匝內(nèi)取面積元dSn，其與坐標原點的矢徑為 rn，磁場延X方向施加。由于S的尺度與非常小，故S在空間的場可表示為偶極場形勢：

　　H(rn)=V/4π[M/rn3+3(M.rn)rn/rn5(1)由此H(rn)的Z方向分量為： Hz(rn)=3m/r5.XZ (m為樣品磁矩)注意到rn值有X分量，則可得到檢測線圈L內(nèi)第n匝中dSn面積元的磁通量：

　　dΦn=µ0HzdSn=3µ0MXnZnV/4πrn5.dSn

　　(2)其中µ0為真空磁導(dǎo)率。第n匝內(nèi)的總磁通為：Φn=∫dΦn=∫3µ0MXnZnV/4rn5.dSn

　　(3)整個L的總磁通則為： Φ=∑nΦn=∑n∫3µ0MXnZnV/4πrn5.dSn

　　(4)其中，Xn為rn 的X軸分量，不隨時間而變, Zn為 rn 的Z軸分量，是時間的函數(shù) 現(xiàn)在認為S不動而L以S原有的方式振動，此時可有Zn=Zn0+a.sinωt, Zn0 為第n匝的坐標，a為L的振幅。由此可得到檢測線圈內(nèi)的感應(yīng)電壓為：

　　(t)=-dΦ/dt=[-3µ0/4πMVaω∑n∫Xn(rn2-5Zn2)/rn7. dSn]COSωt=KMV COSωt=KJ COSωt

　　(5)檢測線圈中的感應(yīng)電壓幅值正比于被測樣品的總磁矩J=MV（或J=σm），且和檢測線圈的結(jié)構(gòu)，振動頻率和振幅有關(guān) 如果將K保持不變，則感應(yīng)信號僅和樣品總磁矩成正比 。預(yù)先標定感應(yīng)信號與磁矩的對應(yīng)關(guān)系后，就可以根據(jù)測定的感應(yīng)信號的大小而推知被測磁矩值。因此，在測出樣品的質(zhì)量和密度后，即可計算出被測樣品的磁化強度M ,σ。M=ρσ，ρ為材料的密度。

　　由式（5）可以看出，信號的電動勢為線圈到樣品間距離r的靈敏圈數(shù)。因此減小距離r，增強樣品與線圈的耦合，將會使靈敏度大為提高。但是隨著距離的減小，樣品所在位置的偏差對信號影響就會越大，對樣品取放位置的重復(fù)性要求就會更加苛刻可以使用成對的線圈對稱的放置在樣品兩邊是這種情況得到改善。在（5）式中，將X用-X代入，信號將改變符號這說明同樣線圈在樣品兩邊對稱位置其輸出信號相等，相位相反。因此在實用中制成成對的線圈彼此串聯(lián)反接，對稱地放置在樣品兩邊，這樣不僅可以保證在每對線圈中由樣品偶極子振動產(chǎn)生的信號彼此相加，而且它對位置尚有相互"補償"的作用使信號對位置的便宜變得不敏感了。探測線圈這樣串聯(lián)反接的結(jié)果還可使來自磁化場的波動和來自其它空間的干擾信號互相抵消，因而改善了抗干擾的能力。

　　信號發(fā)生器產(chǎn)生的功率信號加到振動子上，使振動子驅(qū)動振動桿做周期性運動，從而帶動黏附在振桿下端的樣品作同頻同相位振動，掃描電源供電磁鐵產(chǎn)生可變磁化外場H而使樣品磁化，從而在檢測線圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號，此信號經(jīng)放大并檢測后，饋給X-Y記錄儀的Y軸。而測量磁場用的毫特斯拉計的輸出則饋給X軸。這樣，當掃描電源變化一個周期后，記錄儀將描出J-H回線。

　　J的大小，又必須由已知磁矩的標準樣品定標后求得。如：已知Ni標樣的質(zhì)量磁矩為σ0，質(zhì)量為m0，其J0=σ0m0。用Ni標樣取代被測樣品，在*相同的條件下加磁場使Ni飽和磁化后測得Y軸偏轉(zhuǎn)為 Y0，則單位偏轉(zhuǎn)所對應(yīng)的磁矩數(shù)應(yīng)為K=σ0m0/Y0，再由樣品的J-H回線上量得樣品某磁場下的Y軸高度YH，則被測樣品在該磁場下的磁化強度MH=KYH/V=σ0m0/ Y0*ρ/m*YH, 或被測樣品的質(zhì)量磁化強度σH=K*YH/m= YH/ Y0*m0/m*σ0，ρ為樣品密度，σ0 為樣品質(zhì)量。這樣，我們既可根據(jù)實測的J-H回線推算出被測樣品材料的M-H回線。

　　注意：這里的H為外磁場。也就是說，只有在可以忽略樣品的"退磁場"情況下，利用VSM測得的回線，方能代表材料的特征，否則，必須對磁場進行修正后所得到的回線形狀，才能表示材料的真實特征。所謂"退磁場"，即當樣品被磁化后，其M將在樣品兩端產(chǎn)生"磁荷"，此"磁荷對"將產(chǎn)生于磁化場方向相反的磁場，從而減弱了外加磁化場H的磁化作用，故稱為退磁場。可將退磁場表示為,稱為"退磁因子"，取決于樣品的形狀，一般來說非常復(fù)雜，甚至其為張量形式，只有旋轉(zhuǎn)橢球體，方能計算出三個方向的具體數(shù)值。