DE3339506C2

DE3339506C2 - Optisches Magnetfeld-Meßgerät

Info

Publication number: DE3339506C2
Application number: DE3339506A
Authority: DE
Inventors: Keikichi Musashino Ando; Yuzuru Hachioji Hosoe; Hiroyoshi Saitama Matsumura; Kazuyuki Hachioji Nagatsuma; Norio Sayama Ohta; Tsuneo Tokorozawa Suganuma; Yutaka Tokorozawa Sugita
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-01
Filing date: 1983-10-31
Publication date: 1986-01-23
Also published as: DE3339506A1; GB2130365A; JPS5981570A; GB2130365B; US4581579A; CA1206524A; GB8328659D0

Abstract

Bei einem auf Faraday-Drehung beruhenden Magnetfeld-Meßgerät umfaßt das die Faraday-Drehung aufweisende Medium wenigstens einen dünnen Film aus magnetischem Granat, dessen Zusammensetzung durch die allgemeine Formel R3(Fe5-xMx)O12 gegeben ist, wobei R aus La, Sm, Lu, Ca oder Bi oder aus wenigstens zwei dieser Elemente und aus Y besteht, wobei M aus Ga, Ge, Al, Si, Sc, In und Cr besteht, und wobei x in dem Bereich 0 ≦ x ≦ 1,5 liegt, und wobei der dünne Film in der Durchtrittsrichtung des Lichtes magnetisiert ist, wodurch man einen Gesamt-Temperaturkoeffizienten des Verhältnisses 4τMs/Ho aus der Sättigungsflußdichte 4τMs zu dem Kollabierungsfeld Ho einer Streifendomäne des dünnen Filmes verbessert wird. Das Magnetfeld-Meßgerät bietet eine von Temperaturänderungen unabhängige stabile Messung des Magnetfeldes.

Description

Ho

4nM

_d_ (4jr_Ms\
~ dT \ Ho J

30

des Verhältnisses 4 η Ms/Ho aus der Sättigungsflußdichte 4 πMs und der Kaerzitivfeldstärke Ho einer Streifendomäne klein ist

2. Optisches Magnetfeld-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamt-Temperaturkoeffizient innerhalb des Bereiches von ±0,l%/°C liegt.

3. Optisches Magnetfeld-Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von einem oder mehreren einzelnen Filmen der Temperaturkoeffizient jedes einzelnen Filmes innerhalb des Bereiches ±0,l%/°C liegt.

4. Optisches Magnetfeld-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei dünnen Filmen der Temperaturkoeffizient des einen dünnen Films positiv und der Temperaturkoeffizient des anderen dünnen Films negativ ist, so daß der Gesamt-Temperaturkoefilzient der aus beiden Filmen gebildeten Struktur innerhalb des Bereiches von ±0,l%/°C liegt.

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Die Erfindung betrifft ein optisches Magnetfeld-Meßgerät, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist, wie es aus der europäischen Patentanmeldung 0 046 298 bekannt ist.

Um Unfälle in einem Transformator oder Unterbrecher zu verhüten, in denen eine hohe Spannung erzeugt wird und deren interner Aufbau nicht sichtbar ist, und insbesondere zur Verhütung von Unfällen bei Hochspannungsgeräten, die hohe Auflösung erfordern, ist es nützlich. Störungen und Abweichungen des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes von Gleichgewichtszuständen zu überwachen.

In der Vergangenheit wurde zur Messung des Magnetfeldes bei Hochspannungsgeräten eine Detektorspule mit einem aufgespulten Metalldraht verwendet, und das Magnetfeld wurde durch Umwandlung in einen elektrischen Strom oder eine Spannung festgestellt. Wenn eine zu messende Fläche einen großen Raum besitzt und die Isolation selbst dann hoch ist, wenn eine Spule eingesetzt wird, so bringt das Einsetzen der Metallseife in die Meßfläche keine Schwierigkeiten. Wenn jedoch der Raum sehr schmal oder die Spannung sehr hoch ist und die Isolation nicht ausreichend ist, so kann das Einsetzen einer Metallspule gefährlich und unpraktisch sein. Insbesondere kann sie nicht für einen Transformator eines Unterwerkes verwendet werden, das 100 kV oder 500kVführt

Bei solchen Umständen kann ein hocbisolierendes Medium, wie z. B. eine optische Faser, eingesetzt werden, aber mit einem bekannten optischen Magnetfeld-Meßgerät kann man nur schwer ein Magnetfeld in einem räumlich schmalen Gebiet messen.

In der oflengeiegien japanischen Gebrauehsmusteranmeldung 57-14879 ist ein Magnetfeld-Meßgerät beschrieben, bei dem der Magnetfeld-Detektor ein Medium aus magnetischem Granat enthält, das im Magnetfeld eine Faraday-Drehung zeigt. Über ein optisches Faserbündel als Lichtleiter wird polarisiertes Licht zu dem Medium aus magnetischem Granat geführt und nach Durchtritt durch dieses Medium wiederum von einem optischen Faserbündel als Lichtleiter zu einem Analysator übertragen. Durch den Einsatz eines Glasfaser-Lichtleiters wird dabei ermöglicht, den Magnetfeld-Detektor kompakt und klein auszubilden, so daß man auch in räumlich schmalen Gebieten ein Magnetfeld messen kann.

In der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 57-37277 ist ein weiterer Magnetfeld-Detektor beschrieben, bei dem die Magnetfeldstärke mittels des Faraday-Effekt es eines magnetischen Granates ermittelt wird. Auch dieser C itektor enthält einen Glasfaser-Lichtleiter, über den Licht zu dem magnetischen Granat übertragen wird und das durchtretende Licht zu einem Analysator übertragen wird. Das den Faraday-Effekt zeigende Element besteht aus einem Substrat, das auf den beiden einander gegenüberliegenden Flächen mit dünnen Filmen aus magnetischem Granat überzogen ist. Als Zusammensetzung für die Filme aus magnetischem Granat ist dabei R₃ (Fe₅. *Μ_Χ)₅Ο|₂ angegeben. Der Einsatz eines solchen Materials verbessert die Empfindlichkeit des Magnetfeld-Detektors.

Unbefriedigend ist bei diesen Magnetfeld-Detektoren jedoch der Umstand, daß die Verdet-Konstante temperaturabhängig ist und daß damit der Meßwert der Magnetfeldstärke von der Umgebungstemperatur abhängt.

In der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung 0 086 387 ist ein Magnetfeld-Detektor dargestellt, dessen Aufbau dem der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 57-37277 entspricht. Für den Film aus magnetischem Granat ist als Material R₃-JjQ_x(Fe₅-^M^)Oi₂ angegeben, wobei R ein Element der Gruppe Y, La, Lu, Ca, Sm und Bi bezeichnet, Q ein Element der Gruppe Gd, Eu, Er, Tm, Tb, Yb, Ho und Dy ist, und M ein Element der Gruppe Ga, Al, Ge, Si, Sc, Mn, In, V und Cr ist. Für die Zusammensetzung wird 0,1 £jc23,0 und OS^S 1,5 gewählt, weil dann die Meßwerte eine nur geringe Temperaturabhängigkeit zeigen.

Zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit des Faraday-Effektes wird im Stand der Technik die Temperaturabhängigkeit der Verdet-Konstante gemessen. Die Messung der Verdet-Konstante über einen größeren Temperaturbereich ist aber aufwendig, nicht zuletzt s deshalb, weil in die Messung die Schichtdicke des Materials eingeht, die sich ebenfalls mit der Temperatur ändert.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend, Kriterien für die Auswahl eines Filmes aus magnetischem Granat für ein Magnetfeld-Meßgerät anzugeben, mit denen man ein Magnetfeld-Meßgerät hoher Temperaturstabilität erzielt.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Magnetfeld-Meßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebene Bemessung des relativen Temperaturkoefiizienten gelöst.

Weitere, vorteilhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,

Ganz allgemein hängt die Temperaturstab'Utät eines Magnetfeld-Meßgerätes, in dem ein dünner Film aus magnetischem Granat eingesetzt wird, von der Temperaturcharakteristik der Faraday-Drehung (Verdet-Konstante) des dünnen Filmes ab. Dieser Trend ist besonders bei einem Meßgerät des Typs feststellbar, bei dem ein polarisierter Strahlteiler eingesetzt wird oder eine optische Trägerwelle und eine optische Signalwelle mittels der zwischen ihnen bestehenden Frequenzdifferenz getrennt werden, um die optischen Schwankungen der Lichtquelle zu kompensieren.

Untersuchungen der Beziehung zwischen derTemperaturcharakteristik der Faraday-Drehung des dünnen Films aus magnetischem Granat sowie die Temperaturcharakteristik des Verhältnisses (4 πMs/Ho) einer Sättigungsfiußdichte 4 ηMs des dünnen Filmes zu der Koerzitivfeldstärke einer Streifendomäne haben ergeben, daß zwischen ihnen eine strenge Korrelation besteht.

Bei den * Jntersuchungen hat man herausgefunden, daß es zum Erzielen eines optischen Magnetfeld-Meßgerätes mit einer guten Temperaturcigenschaft notwendig ist, einen magnetischen Film zu verwenden, bei dem das Verhältnis 4 ηMsI'Ho insgesamt eine exzellente Temperaturcharakteristik zeigt.

Man erhält ein optisches Magne'feld-Meßgerät mit einer hohen Temperaturstabilität, indem man einen magnetischen Film verwendet, der eine gute Temperaturcharakteristik des Verhältnisses 4 πMsIHo zeigt, oder indem man eine Anzahl von solchen aufeinander gestapelten magnetischen Filmen einsetzt, oder indem man so zwei Sätze von ihrer Anzahl nach gleichen magnetischen Filmen einsetzt, wobei die Temperaturcharakteristik des Verhältnisses 4 π Ms/Ho in dem einen Satz positiv und in dem anderen Satz negativ ist, und wobei die Änderungsverhältnisse von beiden Sätzen gleich sind.

Nimmt man an, daß der Bereich der Arbeitstemperatur Raumtemperatur (20⁰C) ±30°C beträgt, so muß, damit man die Forderung nach minimaler Temperaturstabilität (±3%) eines Meßinstrumentes der Klasse 3 erreicht, die Temperaturstabilität des Verhältnisses Μ AnMsIHo innerhalb von ±(0-l)% liegen.

Das optische Magnetfeld-Meßgerät verwendet einen dünnen Film aus magnetischem Granat, dessen Verhältnis AnMsIHo eine gute Temperaturcharakteristik zeigt. Die Temperacurcharakteristik des Verhältnisses f-s AnMsIHo von wenigstens einem Film aus magnetischem Granat liegt zwischen ±0,l%/°C, oder die Temperaturcharakteristik des Verhältnisses 4 η MsIHo von wenigstens einem dünnen Film aus magnetischem Granat ist positiv und die Temperaturcharakteristik des Verhältnisses A JiMsIHo von wenigstens einem anderen dünnen Film aus magnetischem Granat ist negativ, und die gesamte Temperaturcharakteristik von beiden liegt zwischen ±(0-l)%/°C. Vorzugsweise liegen die Gesamttemperatur-Kennwerte des Verhältnisses AnMsIHo von allen dünnen Filmen aus magnetischem Granat zwischen ±0,l%/°C.

Um den gewünschten Temperaturverlauf des Veihältnisses 4 ηMsIHo des dünnen Filmes aus magnetischem Granat zu erreichen, wird aus den Verbindungen mit der oben angegebenen allgemeinen Formel diejenige herausgesucht, die die gewünschte Temperatureigen schaft zeigt. Die Zusammensetzung kann mit einem einfachen Experiment bestimmt wpjden.

Ist die Zusammensetzung des dünnen Filmes aus magnetischem Granat durch die allgemeine Formel R₃(Fe₅-JlVi_x)Oi₂ gegeben, wobei x> 1,5 ist, so ist die Faraday-Drehung aufgrund des fcsementes Fe sehr gering.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben und näher erläutert.

Die /^:ig. 1 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Temperaturstabilität des Verhältnisses (4 ηMsIHo) der Sättigungsflußdichte des Magnetfilmes zu der Koerzitivfeldstärke einer Streifendomäne und der Temperaturstabilität der Eigenschaft der Faraday-Drehung.

F i g. 2 zeigt den Aufbau eines ersten Ausfuhrungsbeispieles für ein Magnetfeld-Meßgerät.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die gemessene Temperaturkenngröße des Verhältnisses AnMsIHo eines magnetisierten Filmes, der in einem Ausfuhrungsbeispiel eingesetzt wird, und

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die gemessene Temperaturcharakteristik eines Ausgangssignales der Magnetfeldmessung bei einem Ausführungsbeispiel.

Ausrührungsbeispiel 1

Zunächst werden ein Auswertungsverfahrun und ein Auswahlverfahren für einen dünnen Finn aus magnetischem Granat beschrieben.

Der dünne Film aus magnetischem Granat wird auf einer oder auf beiden Oberflächen (bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel auf einer Oberfläche) einer {lll)-Ebene eines Gd₃ Ga₅ O|2-Einkristalles mittels FIüssigphasen-Epitexialwachstums bei konstanter Temperatur gebildet. Er ist senkkrecht zu der Ebene magnetisiert und besitzt eine Dicke von 1 bis 20 μπι. Seine Zusammensetzungen sind (Y, Sm, Lu, Ca)₃ (Fc, Ge)₅ 0,2 und (Y, Sm)₃ (Fe, Ga₅O₁₂)- Die Te^iperaturänderungen der Domänenbreiten W der St'eifeiidomänen der dünnen Filme, die mit verschiedenen Zusammensetzungen gebildet wurden, wurden durch Beobachtung der Domänen gem "ssen, und die Temperaturcharakteristika des Verhältnisses AnMsIHo wurden berechnet. Die Temperatureigenschäften def Faraday-Drehung (die Verdet-Konstante) wurden durch Messung der Extinktionspositionen mit Hilfe eines He-Ne-Lasers gemessen.

Die F i g. 1 zeigt d^c Beziehung zwischen den Temperatureigenschaften des Verhältnisses4 ηMsIHo von verschiedenen Magnetfilmen bei 20⁰C, d. h. zwischen

Ho d

AnMs άΤ

Ho

o°c

^(%/°^C) <^AbszisSe>

und den Temperaturkenngrößen der Faraday-Drehung, d.h.

-L ± (Ve) Ve άΤ ^K '

IVC

(%/°C) (Ordinate),

wobei Ve die Verdet-Konstante ist.

Anhand der Fig. 1 kann man erkennen, daß die beiden TemperaturkoefTizientcn einander im wesentlichen entsprechen, und sie können als im wesentlichen identisch angesehen werden. Somit wurde ein optisches Magnetfeld-Meßgerät hergestellt, indem man vier magnetische Filme (Zusammensetzung Y₁ , Sm₀₆ Lu₀₆ Cao.7 Fe₄J Ge₀₇ O,₂, Filmdicke 10 um) einsetzte, bei denen der Temperaturkennwert für das Verhältnis $ π mi!Hü etwa -0,04%/°C bei Räüulicniperaiur beträgt. Die Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Meßgerätes. Das Magnetfeld-Meßgerät enthält eine Lichtquelle A, einen Magnetfeld-Detektor B, eine Meßeinheit Cund eine Lichtübertragungseinheit D. Die Lichtquelle umfaßt eine Lichtemissionsdiode 1 (Wellenlänge 0,83 ,um). Der .Magnetfeld-Detektor umfaßt Stablinsen 2-1 und 2-2, einen Polarisator 3, vier magnetische Filme 4 und einen Analysator 5. In der Meßeinheit wird das Licht von einer Fotodiode 6 aufgenommen, und eine Gleichspannungskomponente und «ine Wechselspannungskomponente (die Signalkomponente) wer- den mit einem Gleichspannungs-Detektor 7 und einem Wechselsparinungs-Detektor 8 abgetastet, und das Verhältnis der beiden Komponenten wird durch die Rechenschaltung 9 berechnet. Die Lichtübertragungseinheit weist eine optische Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von etwa 400 μπι auf.

Die Fig. 3 zeigt die gemessenen Temneraturkenngrößen des Verhältnisses 4 ηMsI'Ho des Magnetfilmes, d. h. die Beziehung zwischen der Temperatur (⁰C) und

Die Fig.4 zeigt die Temperaturcharakteristik des Ausgangssignales des in Fi?. 2 dargestellten Magnetfeld-Meßgerätes. Entsprechend der Fig.4 zeigt das optische Magnetfeld-MeSgerät eine Änderung des Ausgangssignales von weniger als ± 1,5% im Temperaturbereich von -10 bis +50⁰C.

Sodann wurden vier magnetische Filme (Zusammen-Setzung: Y₀₉ Sm₀₄ Ca,, Fe_{3 7} Ge_u 0,,, Filmdicke: 13 am) verwendet, um das Meßgerät herzustellen, und es wurden ähnliche Tests durchgeführt. Die Temperaturkenngrößen des Verhältnissös 4 πMsI'Ho der Magnetfilme betrug +0,03%/°C, und die Temperaturstabilität des Ausgangssignals des Meßgerätes betrug weniger als ±1% im Temperaturbereich von -10 bis +50⁰C.

Es wurden weiter vier magnetische Filme (Zusammensetzung: Y₂J Sm₀J Fe₄₇ Ga₀J O,₂, Filmdicke 10 um) verwendet, und ähnliche Tests wurden ausgeführt. Die Temperaturkenngrößen des Verhältnisses AkMsIHo der Magnetfilme betrug -0,08%/°C, und die Temperaturstabilität des Ausgangssignales: des Meßgerätes betrug ungefähr±2_T5% im Temperaturbereich von -10 bis+50⁰C.

Ausführungsbeispiel 2

Anstelle des Analysators 5 bei dem Magnetfeld-Detektor B nach dem AusfUhrungsbeispiel 1 wurde ein polarisierter Strahlteiler verwendet, um zwei orthogonale polarisierte Signale zu trennen, und zwei Sätze von optischen Ausgangs-Lichtleitfasern und Fotodioden wurden verwendet, um die Ausgangssignale P₁ und P₂ zu bestimmen. Die Magnetfeldstärke wurde durch Berechnung von

P-(P_t-P₂)HPx+P₂)

mit einer Rechenschaltung und einer proportionalen Beziehung zwischen P₁ und der Magnetfeldstärke bestimmt.

Vier Magnetfilme mit der Zusammensetzung (Y, Sm, Ca)j (Fe, Ge)₅Oi₂ wurden verwendet. Zwei von ihnen zeigten eine Temperaturcharakteristik des Verhältnisses 4 πMsIHo von ungefähr +0,05%/°C (Zusammensetzung: (Sm₀,5 Ca₀₈₅) (Fe₄1₅ Gc;_0g5)O|₂), und der andere der beiden zeigte einen Temperaturkennwert des Verhältnisses 4 η·MsIHo von ungefähr -0,05%/°C (Zusammensetzung: (Υ, ₇ Sm_0-2 Ca!,) (Fe₃, Ge,,ι)Ο₎₂).

Der Temperaturkoeffizient des optischen Magnetfeld-Meßgerätes betrug weniger als ±2% im Temperaturbereich von -10 bis +50⁰C.

Bei asu voran beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht der Bestandteil R aus Y, Sm, Lu und Ca₁ und der Bestandteil M besteht aus Ge und Ga. Ähnliche Experimente wurden ausgeführt, bei denen der Bestandteil R nur aus einem der oben genannten Elemente bestand, oder bei denen R aus La oder Bi bestand, und es wurden Experimente ausgeführt, bei denen M aus Al, Si, Sc, In oder Cr oder aus mehreren dieser Elemente bestand, und man erhielt Ergebnisse, die den bereits beschriebenen E^ebnisscn ähnlich waren.

Entsprechend der vorangehenden Beschreibung erhält man der entsprechend der vorliegenden Erfindung eine hohe Temperaturstabilität, indem wenigstens ein magnetischer Film eingesetzt wird, dessen Temperaturkoeffizient des Verhältnisses 4 πMsIHo gut ist, oder indem man Magnetfilme verwendet, von denen wenigstens einer einen positiven Temperaturkoeffizienten des Verhältnisses 4 πMsIHo besitzt und wenigstens ein anderer der Filme einen negativen Temperaturkoeffizienten des Verhältnisses AnMsIHo besitzt, wobei die Änderungsraten der beiden Filme im wesentlichen gleich sind. Dementsprechend wird von der vorliegenden Erfindung ein optisches Magnetfeld-Meßgerät bereitgestellt, das eine hohe Temperaturstabilität und einen großen Anwendungsbereich besitzt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Magnetfeld-Meßgerät mit einer Lichtquelle (A), einem Magnetfeld-Detektor (B), S der aus einer Reihenanordnung von einer Linse (2-1, 2-2), einem Polarisator (3), einem Analysator (5) und einem Medium (4) aus einem magnetischen Material besteht, welches die Eigenschaft einer Faraday-Drehung besitzt und wenigstens einen dünnen in Lichtdurchtrittsrichtung magnetisierten Film (4) aus magnetischem Granat enthält, dessen Zusammensetzung durch die allgemeine Formel R₃ (Fe₅-^M_x)O₁₂ dargestellt ist, in der R wenigstens ein Element ist, das aus der La, Sm, Lu, Ca und Bi i} umfassenden Gruppe ausgewählt ist oder wenigstens zwei aus dieser Gruppe ausgewählte Elemente und zusätzlich Y umfaßt, in der M wenigstens ein Element der Ga, Ge, Al, Si, Sc, In und Cr umfassenden Gruppe ist und in der χ in dem Bereich OS χ £1,5 liegt, mit einer Meßeinheit (C) zum Messen des Lichtes des Magnetfeld-Detektors (B) und mit einem Lichtübertragungsweg (D) zur optischen Kopplung des Magnetfeld-Detektors (B) und der Meßeinheit (Q, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film (4) aus einer Materialzusammensetzung besteht, bei der der Gesamt-Temperaturkoeffizient